等离子喷涂陶瓷涂层的界面研究

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1、第30卷第1期《陶瓷学报》Vol.30,No.12009年3月JOURNALOFCERAMICSMar.2009文章编号：1000-2278（2009）01-0117-07等离子喷涂陶瓷涂层的界面研究1,221路学成阎殿然任莹(1.军事交通学院装运机械系，天津：300161；2.河北工业大学材料学院，天津：300130)摘要介绍了等离子喷涂陶瓷涂层的界面特征，综述了等离子喷涂涂层的界面物理化学特性，在此基础上总结提出涂层界面设计与控制的几个先进途径，并探讨了等离子喷涂陶瓷涂层的界面研究的重点与难点问题。

2、关键词等离子喷涂，陶瓷涂层，界面中图分类号：TQ174.75文献标识码：A界面是两种物质（同种或不同种）之间的接触面、1引言连接层和分界层。按每两相接触生成的界面分类有：液-气界面、液-液界面、固-气界面、固-液界面、界面（包括表面）是材料物理、化学性质发生空间固-固界面五类。等离子喷涂涂层是利用等离子焰突变的二维区域，是材料中普遍存在的结构组成单的热能将引入的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，元[1]。它不是一个简单的几何面，而是具有几个原子并在等离子焰的作用下，高速度地撞击到基材表面而[2]厚度的区域

3、，界面不仅存在于材料的外部，而且广泛形成涂层。图1为等离子喷涂Al2O3-13%TiO2涂层存在于材料内部。材料的物理、力学以及化学、电化学断口形貌，可以看出涂层具有典型的层状结构，其界性能等均与材料的界面有着非常密切的关系，材料的面主要包括基体金属与涂层之间以及涂层中各层之很多破坏和失效也首先起源于表面和界面。因此，研间所形成的固-固界面，此外，还包括涂层中气孔或究表面和界面的显微结构与其周围环境的相互作用微裂纹边缘的固-气界面。传统涂层与纳米涂层的以及相关的物理化学现象，对控制材料表面的物理化界面特

4、征存在明显差异，传统涂层(图1a)的喂料在学过程、改变材料的表面性能以及相关的材料性能无喷涂过程中几乎完全熔化，形成以柱状晶生长为主的疑是至关重要的。唯有此，才能在更深层次上理解界较为明显层状的完全熔化区(Fully-Melted)，涂层中面与材料性能之间的关系，进一步达到利用“界面工既存在由于喂料熔化后铺展性不好造成的大型孔洞，程”研制利用新材料的目的。也弥散分布着一些喷涂粒子熔化时所带入气体造成等离子喷涂的工艺特点，决定大量界面结构是涂的微孔，甚至存在明显层间裂纹，其界面比较平直、光层的重要特征与组

5、成部分，对涂层性能有重要影响。滑，界面结合力弱。由于纳米喂料的熔化特性不同，纳本文在分析等离子喷涂陶瓷涂层界面特征的基础上，米涂层则具有特殊的“双态分布结构”(Bimodal综述等离子喷涂涂层界面物理化学特性，并提出涂层distributionmicrostructure)(图1b)：既有与传统涂层界面的设计与控制几个途径，以达到改善或提高涂层类似的呈柱状晶生长的完全熔化区(Fully-Melted)，性能之目的。又具有类似液相烧结态结合的纳米结构的部分熔化区(Partly-Melted)，其界面相对曲

6、折粗糙且结合度高，更微观层次的部分熔化区内纳米粒子之间的界面及2等离子喷涂陶瓷涂层的界面收稿日期：2008-10-15通讯联系人：路学成，男，E-mail:luxuechengpla@yahoo.com.cn《陶瓷学报》2009年第1期118图1等离子喷涂Al2O3-13%TiO2涂层的断口形貌Fig.1Fracturemorphologyofplasma-sprayedAl2O3-13%TiO2coating:(a)traditionalcoating;(b)nano-coating复相陶瓷涂层中不同

7、相之间的相界面结合更为紧密。的差异，仍存在残余拉应力。基于以上分析，涂层和基纳米涂层特殊的界面结构特征，既与制备工艺过程中材的热膨胀系数应满足同一性原则，即二者应尽可能涂层界面的物理化学特性密切相关，也对涂层性能有接近。计算涂层与基材的热膨胀系数差值Δα的合[4]重要影响，是对涂层进行界面设计和控制需要研究的理范围为：重要内容。-σs(1-vc)/(E·cΔT)<Δα<σc(1-vc)/(E·cΔT）(2)式中，Δα=αs-αc；σc、νc：涂层的抗拉强度、泊松3涂层界面的物理化学特性比；σs：基材的抗

8、拉强度，其它同(1)式。制备陶瓷涂层如果在低温条件下进行，基体和涂3.1残余应力层界面不存在残余热应力问题，避免了高温引起的界由于基体与陶瓷涂层的熔点、热膨胀系数及导热面相变。最近出现的冷喷涂可在低温状态下实现涂层系数等热物性能参数的不匹配，陶瓷涂层材料在制备的沉积，涂层中形成的残余应力低（主要是压应力），过程中，易在两相界面处产生残余应力。残余应力可涂层厚度可达数毫米；对基体热影响区小，对喷涂粉分为热应力、组织应力及拘束应力等。末材料无任