等离子喷涂氧化锆涂层的性能研究进展

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1、等离子喷涂氧化锆涂层的性能研宄进展程水凤材科091班主商要等离子喷涂制备的纳米陶瓷涂层与传统微米级涂层和比晶粒更细小，耐腐蚀性和断裂韧性明显提高，且致密度、硬度和结合强度更高,本文对等离子喷涂的原理做了简单介绍，就等离子喷涂氧化锆涂层的性能特点进行综述，并总结了最近的研究成果。关键i司等离子纳米陶瓷氧化锆生物活性o前言二十一世纪以来，随着经济和技术的进步，以及人们对环保和节能降耗等意识的增强，人们对材料的选择和技术工艺的应用提出了更高的要求。陶瓷的韧性是陶瓷材料领域研宄的核心问题，陶瓷的纳米化及纳米复合是目前改善其断裂韧性的极为重要途径之一。1987年德国的Karch等人

2、首次报道了所研制的纳米陶瓷具有高韧性与低温超塑性行为，这第一次向世界展现了纳米陶瓷潜在的优异性能，为解决陶瓷材料的最大问题一一脆性展示了一个新的思路。随着纳米粉末的生产进行Y工业化，纳米材料的研宄重点正在从粉末的合成向以粉末为基的涂层或体结构材料的制备转变。纳米材料由于其结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，为等离子喷涂涂层性能的提高提供有利条件。经大量研究表明，把等离子喷涂技术与纳米技术进行结合，以纳米结构粉末为原料用等离子喷涂技术制备的纳米结构涂层表现出了极为优异的性能，使纳米材料的应用更加广泛和大规模化。由于等离子喷涂法制备的纳米结构涂层具有涂层和基体的选择

3、范围广、工艺简单、沉积效率高以及易于形成复合涂层等优点，因此在工业上潜在着较为广泛的应用前景。纳米陶瓷涂层已经成为材料研究的一个新热点。木文就等离子喷涂氧化锆涂层材料的性能研宄做简单综述。1等离子喷涂原理等离子喷涂是采用等离子焰流为热源，将金属或非金属加热到熔化或者半熔化状态，再用高速气流将其吹成微小颗粒,然后喷射到经过处理的工件表面，形成牢固的覆盖层，以满足不同工况需求的一种技术。由于电离介质的不同，等离子喷涂可分为气体稳定等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂两类。但气体稳定等离子喷涂较为常用。气体稳定等离子喷涂产生等离子体和等离子弧的原理为：正常状态下原子呈现中性，气体在常

4、温下一般是不导电的。但是当外界通过某种方式给气体分子或原子足够的能量时，就可以使电子能够脱离原子而成为自由电子，从而使得分子或原子成为带电的离子，产生电离。电场维持着强烈的电离，并形成了弧光放电，即产生电弧。这种整体上呈现屮性、充满着数量相等的正负离子的电离气体称为等离子体。在等离子喷枪中，阴极和阳极喷嘴之间气体介质出现持续而强烈的电离产生直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并在喷嘴水冷壁的机械压缩效应、热压缩效应及自磁压缩效应的作用下电弧被压缩产生了气体电离达1%以上，温度达几万度的非转移性等离子弧。等离子喷涂是一种非常有效的制备工艺，它有高温和快速

5、冷却两大特点，这有助于纳米结构的形成。用等离子喷涂制备纳米涂层主要是通过一定的工艺控制，将未熔融和半熔融粉体的纳米结构保留于涂层中，形成一种“二元结构”的纳米涂层。它在热障和耐磨等方面已得到较好的研究和应用。另外，纳米结构涂层也可作为生物医用材料。这是由于等离子喷涂涂层的粗糙表面能够促进成骨细胞粘附、增殖以及骨结合；纳米结构能够促进和细胞粘附有关的蛋白质在涂层表面有选择性地吸附，从而有利于细胞后续功能的发挥。纳米结构和微米级粗糙表面的共存有望进一步提高涂层的细胞相容性。2等离子喷涂氧化锆涂层等离子喷涂氧化锆涂层具有熔点高、导热系数低和抗热冲击能力高等特点,常常被用作发动机

6、高温部件的热保护层。研宄发现，与常规涂层和比，纳米氧化锆涂层具有气孔率低、硬度高和结合强度以及耐磨损能力好等优点。此外，纳米结构氧化锆涂层还具冇较低的导温系数和较好的抗热冲击能力。在生物医用材料方面，氧化锆被用作第二相，与羟棊磷灰石构成复合或梯度涂层來提高医用羟棊磷灰石的力学性能。近期的研究发现，在模拟体液中，阴极弧沉积和阳极氧化制备的纳米氧化锆薄膜可诱导类骨羟基磷灰石沉积，显示生物活性。Wang等人发现，等离子喷涂纳米氧化锆涂层不仅具有生物相容性，也具有诱导类骨羟基磷灰石沉积的能力。因此人们对纳米氧化锆涂层的研究日益增多。2.1涂层的显微结构为满足等离子喷涂技术的要求，

7、首先用喷雾干燥技术制备成球形粉末，这种粉体不仅流动性好，还适合于喷涂，而且涂层沉积效率比常规涂层高20%~40%。丁传贤等对其制备的纳米氧化锆经扫描电镜显示，涂层的表面呈现熔融和未熔融结构，未完全熔融的纳米粉体镶嵌于涂层结构屮，形成Y“二元结构”涂层。未熔融区的比例较小，部分熔融区中存在着未熔的纳米团聚粉末。与相同工艺条件下制备的微米氧化锆涂层和比，其组织较为疏松，孔隙率较大，存在大片的未熔融区域，＞1.质量明显低于纳米氧化锆涂层。可能是由于氧化锆的熔点较高(达2710°C),在喷涂的过程中，粉粒很难充分熔化，从而对涂层质量造