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2023-06-18
制备方法及性能评价：梯度功能复合涂层的优化
【摘要】：等离子喷涂制备梯度功能复合涂层的方法见表4-27。表4-27 等离子喷涂制备梯度功能复合涂层的方法在采用单枪法喷涂梯度功能复合涂层时，要注意控制两种成分的飞行轨迹尽可能保持一致，以形成相同的束斑。否则，两种材料不会沉积在相同位置，其中的一种材料成分会出现富集区，甚至形成不均匀带状结构，这将严重影响梯度功能复合涂层性能的均匀性。需要说明的是，上述梯度功能复合涂层均不是严格意义上的梯度结构，而只是多层阶梯结构。
采用热喷涂技术制备的涂层，为降低生产成本，多采用单层结构或双层结构。但在许多实际应用中，当所选用的构件材料与能够满足外部恶劣环境要求的涂层材料之间存在很大的物理性能差别时，采用梯度功能复合涂层可以在两者之间实现良好的过渡，以保护构件免受外部恶劣服役环境，如高温、腐蚀、磨损以及冲蚀等条件的作用。功能梯度材料的典型结构如图4-6所示。
在各种热喷涂工艺中，等离子喷涂工艺有其自身突出的特点：等离子焰流温度高、热量集中，能熔化几乎所有的高熔点物质，除了在高温下会发生分解或汽化的材料之外，通过适当调节喷涂工艺参数，采用等离子喷涂工艺都可以对其进行喷涂。在喷涂过程中，通过采取恰当的冷却措施，零件基本保持无变形，不改变基体材料的原有性能。适合等离子喷涂的材料非常广泛，能得到多种性能的喷涂层，如耐磨涂层、防腐涂层、隔热涂层、高温抗氧化涂层、导电涂层、绝缘涂层、电磁屏蔽涂层等。
因此，在喷涂过程中通过预先控制两种或多种材料的混合比例，就可以实现两种或多种成分之间的连续变化，等离子喷涂法成为制备梯度功能材料（简称FGM）的重要方法之一。
采用等离子喷涂法制备梯度功能复合涂层的方法分两种：一种是单枪法，即在制备涂层过程中只使用一把等离子喷枪；另一种是双枪法，即在制备涂层过程中要使用两把等离子喷枪。等离子喷涂制备梯度功能复合涂层的方法见表4-27。
表4-27 等离子喷涂制备梯度功能复合涂层的方法
在采用单枪法喷涂梯度功能复合涂层时，要注意控制两种成分的飞行轨迹尽可能保持一致，以形成相同的束斑。否则，两种材料不会沉积在相同位置，其中的一种材料成分会出现富集区，甚至形成不均匀带状结构，这将严重影响梯度功能复合涂层性能的均匀性。当两种材料的性质相差较大时，采用单枪法很难获得性能优良的梯度功能复合涂层，最好采用双枪法。双枪法的两种材料各用自己的喷枪进行喷涂，并可以独立地进行喷涂参数的优化控制。
在采用热喷涂法制备梯度功能复合涂层中，研究最多的是采用等离子喷涂制备热障涂层，即NiCrAlY-ZrO2系梯度功能复合涂层，被研究的其他体系包括：Cu-W、Cu-B4C、Ni-（Al2O3-Cr2O3）、NiCrBSi-Ni包Cr3C2、Mo-TiC、Ni包Al-Al2O3、Ni-Al2O3、Co包WC-（Ni- Cr）、Co包WC-聚酰亚胺、梯度Hap生物涂层以及孔隙呈梯度分布的Ti涂层等。需要说明的是，上述梯度功能复合涂层均不是严格意义上的梯度结构，而只是多层阶梯结构。梯度功能复合涂层的显微组织结构如图4-22所示。
采用等离子喷涂法制备的NiCrAlY-ZrO2系梯度功能复合涂层的显微组织如图4-22a所示，采用HVOF+粉末火焰喷涂复合法制备的Co包WC-聚酰亚胺梯度功能复合涂层的显微组织如图4-22b所示，采用先喷涂后重熔工艺制备的NiCrBSi-WC梯度功能复合涂层的SEM如图4-22c所示。
图4-22 梯度功能复合涂层的显微组织结构
a）NiCrAlY-ZrO2系梯度涂层 b）Co包WC-聚酰亚胺系梯度涂层 c）NiCrBSi-WC系梯度涂层
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2023-06-18
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