納米氧化鋯材料等離子噴涂涂層性能研究及應用

毛志強 李志印 王 勇

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

1 引 言

氧化鋯涂層已廣泛應用于航天、航空、燃氣發電、化工和冶金等眾多領域（表1）。隨著納米科技的發展，納米材料顯現出獨特的力學、熱學、電學、光學和磁學性能［1］。由于燒結和團聚等難題的困擾，目前，制備納米結構陶瓷塊體材料還存在一定的技術困難［2］。因此，制備納米陶瓷涂層是發揮納米材料的優異性能的一個重要途徑。近年來，等離子噴涂納米氧化鋯涂層日趨成為研究熱點［3-7］。但等離子噴涂技術制備納米氧化鋯涂層沉積率低，涂層性能與粉末特性、噴涂工藝密切相關［8］。本文成功地解決了納米氧化鋯等離子噴涂工藝，制備了高性能的納米材料氧化鋯涂層，并結合納米氧化鋯涂層的性能分析，對納米氧化鋯涂層應用于艦船進行了初步的探討。

2 納米氧化鋯材料涂層等離子噴涂原理與工藝

等離子噴涂是利用高溫等離子弧將噴涂粉末迅速加熱到熔融或半熔融狀態，靠等離子射流加速，形成飛向基材的噴涂粒子束，陸續撞擊經預處理的基材表面，形成涂層。本文的等離子噴涂系統主要包括電源、氣源、控制臺、冷卻水循環系統、送粉器和噴槍（圖1）。

表1 ZrO2涂層的種類和用途

一般而言，涂層的性能主要決定于等離子弧，而等離子弧是在氣流和水冷紫銅噴嘴這兩個外因條件作用下，產生所謂熱收縮效應、自磁壓縮效應和機械壓縮效應，促使電弧內部熱電離過程的變化而實現的，因此產生等離子弧的等離子噴槍尤為關鍵。本文采用78 WⅡ型高能等離子噴涂槍，其噴嘴直徑為6.5 mm。試驗過程中還需要對噴槍的水冷量進行控制，保持電弧的穩定性。噴涂過程中為保證噴涂粉末獲得較大的沖量，工作介質采用氮氣，但由于氮氣弧電壓比較高，起弧相對困難，所以實驗過程中先采用氬氣起弧，再逐漸切換成氮氣。為提高涂層與基材的結合強度，必須對基材進行噴砂處理，而噴砂的時間和供氣壓力以及砂型均對涂層的結合強度產生影響，本文采用石英砂噴涂10～15 min。同時在基材與涂層之間增加NiCrAl的過渡層來改善涂層的抗熱震性能，具體噴涂工藝見表2。

表2 ZrO2涂層等離子噴涂工藝

納米氧化鋯粉末在等離子噴涂過程中容易燒結長大，堵塞噴槍，因此噴涂前需進行二次造粒，使其達到微米量級，本文采用的納米ZrO2（8%Y2O3）粉末造粒前后如圖2所示，形成的納米氧化鋯材料涂層見圖3。

3 等離子噴涂納米氧化鋯材料涂層的性能及應用

3.1 耐酸性試驗及應用

將納米氧化鋯材料涂層浸泡在王水中24 h后，采用電子顯微鏡觀察其表面與斷面結構，發現納米氧化鋯材料涂層表面和斷面結構仍然致密（圖4），具有很強的耐酸性。

艦船艙室空氣濕度大、溫度高，因此船體表面、設備金屬外殼以及冷卻水管路容易形成冷凝水；同時空氣中鹽霧也會對設備表面造成侵蝕。目前主要采取的措施就是在設備、管路表面噴涂防護漆，該措施可以在一定程度上緩解腐蝕現象，但主要存在以下問題。

1）有機材料有一定的揮發性，影響艙室空氣品質。

2）有機材料是可燃物，存在火災安全隱患。

3）在高濕環境下，防護漆容易剝落失效，需要定期修復。

對于艦船蓄電池艙的管路，需要防止耐酸霧的侵蝕，目前主要是采用防酸漆和環氧膠泥掩埋。環氧膠泥密度大，固化時間長，而且不便于維修。

因此，可以對艦船設備表面進行有效防護，抵擋冷凝水、酸霧、鹽霧等介質的侵蝕。此外，本文制備的納米氧化鋯材料等離子噴涂涂層結合強度高，根據GB8642-88中熱噴涂層結合強度的測定方法測得涂層與不銹鋼基材結合強度為43.55 MPa，不容易失效剝落。

3.2 抗熱震性能試驗及應用

在φ25 mm×5 mm的45＃鋼圓柱體上分別噴涂1 mm厚的兩種材料涂層作為試件，試驗過程先將試件在高溫爐里加熱到1 000℃，再用高壓氮氣強迫冷卻到25℃，反復循環，直至涂層失效。實驗結果表明，普通氧化鋯等離子噴涂涂層大約循環70次，整體脫落；納米氧化鋯等離子噴涂涂層大約循環110次，部分脫落。試驗結果（表3、圖5）表明，等離子噴涂納米氧化鋯材料涂層抗熱震性能優于普通氧化鋯涂層。

表3 氧化鋯涂層抗熱震性能試驗

普通氧化鋯材料涂層高溫防護的研究在20世紀60年代已經開始，20世紀90年代已廣泛應用，但由于金屬-陶瓷界面不穩定［9-10］，從而影響其抗熱震性能，導致涂層使用壽命縮短。艦船動力裝置受海上惡劣環境的影響，高溫部件腐蝕尤為明顯，因此需要對其表面進行防護。從上述試驗結果可以看出，在同等條件下納米氧化鋯材料等離子噴涂涂層抗熱震性能優于普通氧化鋯涂層，使用壽命約是普通氧化鋯涂層的1.6倍，可用于艦船動力裝置高溫部件隔熱防護，提高艦船的可靠性，同時還降低維護成本。

4 結束語

本文成功地解決了納米氧化鋯材料等離子噴涂工藝，成功制備涂層，并結合其耐酸性和抗熱震性能試驗，提出了等離子噴涂納米氧化鋯材料涂層可應用于艦船防腐防漏、動力裝置高溫部件隔熱防護。

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