程 翔

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域中，機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程時(shí)，零部件會(huì)發(fā)生摩擦，容易產(chǎn)生大量的熱量，從而損失許多能量，導(dǎo)致巨大的資源浪費(fèi)。此外，機(jī)械零部件間的摩擦還容易導(dǎo)致自身磨損。在工業(yè)生產(chǎn)中，80%的機(jī)械零件損壞都是由于表面摩擦而導(dǎo)致的。零部件損傷又極易引起機(jī)械故障，甚至誘發(fā)生產(chǎn)安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)因機(jī)械零部件摩擦導(dǎo)致的損失約占全國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總值的4.5%[1]。因此，為了減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的損耗，提高機(jī)械工作效率，增強(qiáng)機(jī)械服役壽命，提升機(jī)械零部件表面的耐磨性能成為了關(guān)鍵點(diǎn)。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，表面工程技術(shù)成為了解決機(jī)械零部件磨損問題的重要技術(shù)手段。表面工程技術(shù)主要分為三類：一是通過特殊工藝處理基材材料表面，強(qiáng)化基材表面的強(qiáng)度硬度，如表面硬化技術(shù)[2]；二是通過特殊工藝來改變基材材料表面的組織，產(chǎn)生新相，如滲氮滲碳技術(shù)；三是通過涂覆工藝將高強(qiáng)度材料加工到基體材料表面，如等離子噴涂、氣相沉積技術(shù)。通過表面工程技術(shù)對(duì)機(jī)械零部件外表面進(jìn)行特殊工藝加工，可以增強(qiáng)機(jī)械零部件表面的強(qiáng)度硬度，從而提升基體材料的耐磨損性能，減少機(jī)械零部件間相互運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的磨損，一定程度上解決了因機(jī)械零部件摩擦導(dǎo)致的能耗大、效率低、成本高等問題。

在表面工程技術(shù)中，等離子噴涂技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)單、可控性好、涂層強(qiáng)度高以及致密性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍較為廣泛，常用于改善材料的耐腐蝕、耐磨損和耐高溫等性能。等離子噴涂技術(shù)能夠有效地提升機(jī)械零部件磨損性能，延長(zhǎng)機(jī)械零部件的使用壽命，且不會(huì)改變基體材料的組織結(jié)構(gòu)[3-4]。隨著等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展，噴涂材料體系也在不斷的完善，涂層材料選擇趨于多樣化，可以根據(jù)高溫疲勞、輕/重載荷、高/低轉(zhuǎn)速等不同服役環(huán)境進(jìn)行選擇，從而滿足基體材料表面磨損性能的提升需求。因此，為了更好地解決機(jī)械零部件表面磨損問題，發(fā)揮等離子噴涂技術(shù)的實(shí)際作用，本文對(duì)等離子噴涂技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其工藝參數(shù)作了簡(jiǎn)要的論述，并分析總結(jié)了典型金屬基和陶瓷基耐磨涂層的表面特點(diǎn)和磨損機(jī)制。通過分析現(xiàn)有典型等離子噴涂耐磨涂層，對(duì)等離子噴涂涂層未來研究方向提出了相關(guān)見解，供廣大科研工作者參考。

1 等離子噴涂技術(shù)

1.1 等離子噴涂技術(shù)的原理及其特點(diǎn)

等離子噴涂技術(shù)是熱噴涂技術(shù)的一種，主要以等離子弧為加熱源，將噴涂材料進(jìn)行熔化，形成小液滴狀態(tài)，并以工作氣體帶出，使其噴射在基體材料表面，從而形成表面涂層，技術(shù)原理圖如圖1 所示。

等離子噴涂技術(shù)的工作氣體通常為氬氣或氮?dú)?，再加上少量的氫氣，這些氣體在工作過程中被電弧加熱并離解，從而形成超高溫度的等離子氣體，溫度可高達(dá)14 000 ℃，最后壓縮成等離子射流而加速噴出。噴涂材料則是被高溫等離子氣體快速熔化為小液滴形態(tài)后，高速噴出至基體材料上，從而在基體材料表面擴(kuò)散、鋪展形成致密涂覆層。

等離子噴涂技術(shù)的特點(diǎn)可以總結(jié)為以下4 點(diǎn)：一是超高溫特性，等離子弧中心溫度可高達(dá)14 000 ℃以上，足夠熔化任何難熔的材料；二是涂層緊密性好，等離子噴涂技術(shù)噴涂的粒子能在基體材料表面形成緊密的涂層，并與基體材料結(jié)合緊密；三是抗氧化性好，等離子噴涂用的工作氣體主要以氬氣或氮?dú)膺@類惰性氣體為主，在高溫下能夠較好地保護(hù)基體材料和噴涂材料不被氧化；四是可控性強(qiáng)，通過改變等離子噴涂技術(shù)參數(shù)，能夠精準(zhǔn)地把控涂層厚度，并確保涂層表面較為平整。

1.2 等離子噴涂技術(shù)工藝參數(shù)對(duì)涂層的影響

等離子噴涂技術(shù)制備涂層時(shí)，需要控制好技術(shù)工藝參數(shù)，如氣體流量、功率、送粉量、噴涂距離等。這些工藝參數(shù)將影響涂層的致密性和表面形貌等。

（1）工作氣體流量：氣體流量主要會(huì)影響等離子弧的溫度，流量越大，帶走熱量越多，噴涂粉末熔化不充分，形成的涂層質(zhì)量差；流量較小，熔化的粉末沒有足夠氣流來將其帶出，在基體材料表面上的沉積率較低。

（2）噴涂功率：噴涂功率直接影響等離子噴涂設(shè)備輸出的能量。噴涂功率較大時(shí)，設(shè)備輸出能量高，等離子氣體溫度較高，噴涂材料容易過熱，甚至氣化，涂層將產(chǎn)生許多氣孔；噴涂功率較小時(shí)，設(shè)備輸出能量低，等離子氣體溫度較低，噴涂材料并不能完全熔化，影響涂層質(zhì)量。

（3）送粉量：送粉量主要需要根據(jù)噴涂功率來調(diào)節(jié)。送粉量過大，噴涂材料難以熔化不完全，涂層質(zhì)量較差；送粉量過小，沉積效率較低，且容易形成孔隙率較大的涂層。

（4）噴涂距離：噴涂距離會(huì)影響等離子射流與基體材料表面撞擊時(shí)的速度和溫度。噴涂距離過大，等離子射流到達(dá)基體表面的溫度較低，動(dòng)能較小，導(dǎo)致在基體材料表面難以完成扁平化，涂層強(qiáng)度和噴涂效率均會(huì)降低，孔隙率也會(huì)增大；噴涂距離過小，噴涂材料受熱時(shí)間較短，粒子未熔化完全就到達(dá)了基體材料表面，將導(dǎo)致涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度較低，且容易讓基體材料變形，使得涂層應(yīng)力增加。

2 典型金屬基耐磨涂層

等離子噴涂技術(shù)在制備耐磨涂層方面應(yīng)用十分廣泛，特別是在制備金屬基耐磨涂層方面[5]。為了讓等離子噴涂技術(shù)工程人員更加了解金屬基耐磨涂層，本文主要介紹鐵基、鎳基、鉬基等三種典型的金屬基耐磨涂層。

2.1 鐵基耐磨涂層

鐵基合金具有良好的力學(xué)性能且經(jīng)濟(jì)適用性較強(qiáng)，可以作為耐磨涂層，如FeCrBSi 合金粉末。FeCrBSi 合金粉末熔融溫度較低，且具有良好的浸潤(rùn)性，但通過等離子噴涂技術(shù)制備的FeCrBSi 合金涂層，表面硬度較低，且容易發(fā)生塑性變形，表面磨損機(jī)制屬典型的磨粒磨損。因此，通常會(huì)加入其他的成分，如制備FeCrBSi/FeS 復(fù)合涂層。FeS 具有固體潤(rùn)滑作用，能夠使得等離子噴涂FeCrBSi/FeS 復(fù)合涂層具有更好的耐磨性能。鐵基合金涂層最為常見的磨損是磨粒磨損和涂層剝落。

2.2 鎳基耐磨涂層

鎳基合金材料作為噴涂材料，主要是由于其熱穩(wěn)定性好、硬度高、耐磨性好等，其中應(yīng)用最廣泛的NiCrBSi涂層。等離子噴涂技術(shù)制備NiCrBSi 耐磨涂層，可以利用等離子重熔處理而得到更好的耐磨涂層。有學(xué)者表明，利用等離子重熔處理后得到的NiCrBSi 涂層在25 ℃以及600 ℃以下均能表現(xiàn)出更好的耐磨性能。除了重熔處理之外，等離子噴涂制備NiCrBSi 涂層，還可以通過加入一些硬質(zhì)相來提升涂層的耐磨性能，如加入Cr、Co 等。

2.3 鉬基耐磨涂層

鉬基合金材料的優(yōu)點(diǎn)主要有耐磨耐腐蝕性能好、硬度高、熔點(diǎn)高等，常應(yīng)用于電子電工、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域。通過等離子噴涂技術(shù)制備的鉬基合金耐磨涂層，由于其降低了涂層被氧化程度，減少了開裂脫落的情況發(fā)生。鉬基耐磨涂層中的 MoO2和 MoO3能夠作為潤(rùn)滑相，從而改善潤(rùn)滑效果，提升涂層的耐磨性能。鉬基耐磨涂層的耐磨性能與磨損環(huán)境和負(fù)載有很大的關(guān)系。

總之，金屬基合金材料主要是由于其具有優(yōu)異性的性能，常作為等離子噴涂材料。金屬基耐磨涂層磨損機(jī)制多為塑性變形和磨粒磨損。金屬基耐磨涂層可以通過加入其他成分、表面處理、工藝優(yōu)化等手段，來改善涂層的摩擦學(xué)性能。

3 典型陶瓷基耐磨涂層

陶瓷具有高剛度、高硬度、高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好、絕緣能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷涂層相比金屬材料涂層能更為有效地提升基體材料的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫以及抗氧化性能等。陶瓷耐磨涂層不僅具有金屬的韌性和加工性能好等特性，也具備陶瓷的耐高溫、耐腐蝕以及耐磨損等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷根據(jù)化學(xué)組成可以分為兩大類，見表1。

表1 陶瓷分類

3.1 氧化物陶瓷耐磨涂層

氧化物陶瓷涂層中，Al2O3陶瓷涂層應(yīng)用較為廣泛，但Al2O3陶瓷脆性較大，一般需添加一定量的TiO2來提升涂層性能[6-9]。TiO2的加入，能夠改善涂層的斷裂韌性，從而制備出表面性能較好的Al2O3-TiO2耐磨涂層。Al2O3-TiO2耐磨涂層在不同的滾滑方式下，實(shí)效形式主要表現(xiàn)為粘著脫層和表面磨損。Al2O3-TiO2涂層發(fā)生表面磨損時(shí)，將產(chǎn)生大量的磨損顆粒堆積形成一層過渡膜，使得涂層產(chǎn)生脆性斷裂。為了提升Al2O3-TiO2耐磨涂層的耐磨損性能，一般通過優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)來提升涂層表面性能，從而獲得耐磨損性能好的涂層。

Cr2O3基陶瓷耐磨涂層具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，是使用較廣泛的一種陶瓷涂層。Cr2O3基陶瓷耐磨涂層需要添加一定量的TiO2來提升涂層性能。但TiO2的加入，將增加耐磨涂層的孔隙率，并且在相對(duì)滑動(dòng)過程中，產(chǎn)生更大的摩擦阻力，因此找到最佳配比是關(guān)鍵點(diǎn)。Cr2O3-TiO2耐磨涂層進(jìn)行滾滑磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，失效方式主要表現(xiàn)為3 種，即分層失效、剝落失效以及磨損失效。失效情況與噴涂涂層表面粗糙度有關(guān)，粗糙度越大，破壞程度越嚴(yán)重。Cr2O3-TiO2耐磨涂層還表現(xiàn)出自潤(rùn)滑特性。

TiO2具有成本低廉、安全無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在涂料、塑料等行業(yè)[10]。在制備耐磨涂層方面，主要是作為少量添加物來改善涂層的性能，如Cr2O3-TiO2耐磨涂層、Al2O3-TiO2耐磨涂層等。當(dāng)然，TiO2也可以作為制備耐磨涂層的主要氧化物陶瓷，如TiO2-SiAlON 耐磨涂層。

3.2 非氧化物陶瓷耐磨涂層

相比于氧化物陶瓷耐磨涂層，非氧化物陶瓷耐磨涂層的應(yīng)用更少，常見的是WC 基陶瓷耐磨涂層。WC 陶瓷材料具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨損性能，且WC 相有彌散強(qiáng)化的作用，是一種性能較好的耐磨涂層材料[11]。但WC 陶瓷材料脆性較高，通常需要加入Co 粉末等作為粘結(jié)相來改善WC 基陶瓷耐磨涂層的韌性。與WC-Co 耐磨涂層相比，WC-Co-Cu-BaF2/CaF2耐磨涂層的耐磨性能則更好，在不同溫度下的平均摩擦系數(shù)更低，主要是因?yàn)閃C-Co-Cu-BaF2/CaF2耐磨涂層磨損表面產(chǎn)生的摩擦產(chǎn)物層具有較高的附著性和可塑性，能夠起到高溫潤(rùn)滑劑的作用，在高溫摩擦領(lǐng)域極具實(shí)用價(jià)值。

總之，陶瓷基耐磨涂層的脆性較大，通常需要添加其他韌性較好的粘結(jié)相來提高耐磨涂層的韌性強(qiáng)度。陶瓷基涂層磨損機(jī)制多為粘著磨損和磨粒磨損。

4 結(jié)語和展望

等離子噴涂技術(shù)在制備耐磨涂層方面應(yīng)用較為廣泛，主要是因?yàn)槠渚哂谐邷靥匦?、涂層緊密性好、抗氧化性好以及可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文系統(tǒng)闡述了等離子噴涂技術(shù)制備的典型金屬基和陶瓷基耐磨涂層，并得出了以下兩個(gè)結(jié)論：一是金屬基合金材料主要是由于其具有優(yōu)異性的性能，常作為等離子噴涂材料。金屬基耐磨涂層磨損機(jī)制多為塑性變形和磨粒磨損。金屬基耐磨涂層可以通過加入其他成分、表面處理、工藝優(yōu)化等手段，來改善涂層的摩擦學(xué)性能。二是陶瓷基耐磨涂層的脆性較大，通常需要添加其他韌性較好的粘結(jié)相來提高耐磨涂層的韌性強(qiáng)度。陶瓷基涂層磨損機(jī)制多為粘著磨損和磨粒磨損。

等離子噴涂技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了較長(zhǎng)時(shí)間，期間不斷地探索出新的噴涂材料和工藝方法，以制備出性能優(yōu)異的耐磨涂層。根據(jù)典型耐磨涂層的總結(jié)分析，在此提出3 個(gè)技術(shù)發(fā)展方向，僅供研究者們參考。一是在現(xiàn)有陶瓷基噴涂材料基礎(chǔ)上，不斷地開發(fā)新型陶瓷材料在等離子噴涂技術(shù)中的應(yīng)用，豐富等離子噴涂材料體系；二是將智能化控制技術(shù)和等離子噴涂技術(shù)相結(jié)合，讓噴涂工藝控制更加智能化、精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)耐磨涂層制備工藝優(yōu)化；三是探索等離子噴涂技術(shù)的新型應(yīng)用領(lǐng)域，將等離子噴涂耐磨涂層應(yīng)用到更為廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。