熱噴涂制備納米涂層的研究現(xiàn)狀與展望

惠陽

【摘 ?要】納米材料具有較小尺寸的晶粒，同時擁有表面效應(yīng)以及量子效應(yīng)等優(yōu)勢，在很多方面都具有典型性能，諸如光、熱、化學(xué)以及磁等方面，已經(jīng)是當(dāng)前重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。應(yīng)用納米涂層，提供給納米材料更新的發(fā)展方向。很多的制備納米涂層技術(shù)中，最為經(jīng)濟(jì)有效的制備納米涂層的方式即為熱噴涂技術(shù)，可以展現(xiàn)出防腐蝕、耐磨、熱絕緣等功效。本文對于熱噴涂制備納米涂層的研究情況展開分析。

【關(guān)鍵詞】熱噴涂;納米涂層;制備;研究現(xiàn)狀;未來展望

在納米技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展的情況下，傳統(tǒng)的表面工程邁進(jìn)了納米表面工程時代。在納米表面工程中，熱噴涂為組裝納米材料成納米涂層非常有效的策略。納米涂層組裝是一項(xiàng)納米表面工程，經(jīng)特殊工藝進(jìn)行加工零維的納米質(zhì)點(diǎn)、一維納米線成納米結(jié)構(gòu)噴涂粉材，通過現(xiàn)代表面加工技術(shù)構(gòu)建納米涂層，也能夠通過現(xiàn)代表面加工技術(shù)于基材表面直接的組裝為納米涂層。

一、熱噴涂納米涂層制備方法現(xiàn)狀分析

（一）等離子噴涂法（PS）

等離子噴涂工作氣體的構(gòu)成就是Ar、N2或增添百分之五至十的H2。電極區(qū)納入了工作氣體之后，通過陰極、陽極之間所形成直流電弧，進(jìn)行加熱離解為高溫等離子體，同時噴出于噴嘴，產(chǎn)生高速等離子焰流，每秒500米到1 500米之間。送粉氣進(jìn)行載入噴涂粉末在離子焰流內(nèi)，極快的產(chǎn)生受熱并且熔化，迅速在基體表面噴射沉積產(chǎn)生涂層。等離子噴涂納米涂層就是，可噴涂納米的材料非常多，納米涂層具有較少的孔隙，而且具備較強(qiáng)的結(jié)合率，能夠采取惰性氣體當(dāng)作工作介質(zhì)，所以能夠?qū)⒓{米粒子飛行期間形成的氧化問題明顯減少。

（二）超音速火焰噴涂法（HVOF）

燃料氣體跟助燃劑或者是液體燃料跟助燃劑，在采取相應(yīng)比例于燃燒室中導(dǎo)入，同時進(jìn)行混合的情況下，在電火花點(diǎn)燃基礎(chǔ)上產(chǎn)生爆炸式燃燒的情況。在燃燒以后所形成的高溫高壓氣體，基于噴嘴的作用下前提下，產(chǎn)生超音速焰流，并且送粉氣把噴涂粉末輸送到高溫燃?xì)鈨?nèi)形成加熱熔融，進(jìn)而隨著焰流高速噴射，在基體表面進(jìn)行沉積，之后產(chǎn)生涂層。超音速火焰噴涂納米涂層的典型特征就是，納米粒子具有較快的運(yùn)動速度，受熱溫度較低，同時具備均勻的受熱現(xiàn)象，可以集中能量，同時納米涂層內(nèi)通常無氧化物，具備穩(wěn)定的涂層化學(xué)成分，在一些硬質(zhì)耐磨涂層中適用性較高。而且具備極高的致密度，同時具有較低的孔隙率以及較高的結(jié)合強(qiáng)度，能夠進(jìn)行制備厚涂層。

（三）爆炸噴涂法（D-GUN）

先把相應(yīng)比例O2、C2H2通過閥門系統(tǒng)，在混合室中進(jìn)行混合，之后在槍筒中送進(jìn)，之后在槍筒內(nèi)進(jìn)行送進(jìn)霧化處理以后的噴涂粉末。通過火花塞點(diǎn)火，混合氣體出現(xiàn)燃燒以及爆炸的情況，由此形成爆轟波。爆轟波的高溫、高沖擊壓力狀態(tài)中，噴涂粉末出現(xiàn)熔融，而且被高速噴向基體表面進(jìn)而產(chǎn)生涂層。結(jié)束了一次爆炸之后，把清洗氣N2送入到室內(nèi)，把剩余的燃?xì)庖约胺勰┻M(jìn)行清除，提供給下次的爆炸準(zhǔn)備工作。爆炸噴涂納米涂層的特征也是相對顯著的，即具備致密的涂層以及較低的孔隙率，而且涂層相對平滑狀態(tài)。

（四）雙絲電弧噴涂法（TWAS）

把導(dǎo)電金屬絲材料（相反極性的兩根）當(dāng)作自耗電極，基于喂料滾輪下連續(xù)的進(jìn)給，一直到噴槍端口部位形成接觸，產(chǎn)生短路以及形成電弧。電弧產(chǎn)生的熱量，熔化了金屬絲材，再采取壓縮空氣，霧化處理熔化的金屬為微熔滴，之后在基體的表面部位進(jìn)行噴射，最終產(chǎn)生涂層。雙絲電弧噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層的電弧噴涂的產(chǎn)生，主要是通過納米絲材電弧熔化以及霧化之后得到，完全的燃燒了粒子，所以具備相對穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，而且擁有較高的生產(chǎn)以及節(jié)能效率。

（五）冷噴涂法（CS）

工作氣、送粉載氣于高壓源加壓后加速。工作氣為形成高速的重要性介質(zhì)，進(jìn)入到腔膛前，預(yù)熱大約一百到六百攝氏度之間，使得顆粒流速提升。載氣受熱于另一加熱器之后，通過送粉器，把粉末在噴槍送進(jìn)，混合其他的工作氣。基于Laval噴嘴作用中提供給工作氣攜帶粉體顆粒較強(qiáng)的超音速流動，按照完全固態(tài)模式在基體表面進(jìn)行噴射沉積，最后產(chǎn)生涂層。冷噴涂納米涂層因?yàn)槔鋰娡繉?shí)施加速氣流溫度在600 ℃以下，同時具有較快的納米粒子速度，所以能夠防止產(chǎn)生氧化以及分解等問題，讓涂層具備最初納米粒子性質(zhì)。

二、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢

納米涂層材料制備包含了較多的關(guān)鍵技術(shù)。首先，就是納米粉末材料的輸送技術(shù)。納米顆粒具有較輕的質(zhì)量，相較于表面積而言更大，實(shí)施噴涂期間，納米粉末不具有良好的流動性，所以很容易產(chǎn)生粉末輸送堵塞的問題，也阻礙納米顆粒直接的在基材表面形成涂層。所以，可以實(shí)施納米粉末粒子復(fù)合再造粒技術(shù)，進(jìn)行制備存在納米晶結(jié)構(gòu)的微米球形顆粒粉末材料。其次，納米粒子長大的抑制技術(shù)，使得于涂層內(nèi)對于納米晶結(jié)構(gòu)實(shí)施有效的保護(hù)。將噴涂粒子飛行速度進(jìn)行提升，把噴涂熱源溫度減小，實(shí)施各種涂層制備技術(shù)（SPS，CGDS，HVOF等）為獲取納米晶涂層關(guān)鍵性模式。最后，納米合金粉末材料的制備技術(shù)。制備納米合金粉末材料舉措是較多的，氣體沉積法就是普遍應(yīng)用到的方案，常見的就是等離子體以及高頻感應(yīng)等。為了進(jìn)一步的提升生產(chǎn)效率，減少成本支出，未來需要不斷的革新制備技術(shù)。

熱噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層把納米技術(shù)結(jié)合起了先進(jìn)制造技術(shù)，具備廣闊的工業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ磥硇枰訌V泛的應(yīng)用熱噴涂涂層以及進(jìn)一步的擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。在未來的發(fā)展中，應(yīng)該形成更健全完整的系統(tǒng)理論、應(yīng)用理論，具體包括不斷的完善研究噴涂用納米粉體的開發(fā)以及生產(chǎn)，至設(shè)計(jì)、制備涂層，熱噴涂期間粉末顆粒熔化機(jī)理，應(yīng)用涂層等等方面。同時將自動控制系統(tǒng)應(yīng)用到納米熱噴涂工藝中不斷的推進(jìn)，熱噴涂技術(shù)是工藝性階段上，依靠嚴(yán)格的規(guī)程以及經(jīng)驗(yàn)掌控涂層質(zhì)量。通過全面地落實(shí)納米熱噴涂技術(shù)的全程自動監(jiān)測以及控制，達(dá)到熱噴涂納米涂層技術(shù)更先進(jìn)化的發(fā)展。另外，要加大力度探究熱噴涂納米涂層技術(shù)跟其它的納米表面，例如納米熱噴涂復(fù)合于納米激光重熔、納米熱噴涂復(fù)合于納米電刷鍍等，優(yōu)化納米熱噴涂技術(shù)。

結(jié)束語

熱噴涂納米涂層技術(shù)在我國的發(fā)展相對較晚，其涵蓋了眾多的學(xué)科領(lǐng)域，相對復(fù)雜。但是當(dāng)前納米材料制備技術(shù)的發(fā)展前景依然是非常廣闊的，需要未來進(jìn)行不斷的深入研究，相繼改進(jìn)已有技術(shù)，探索新型的技術(shù)手段，轉(zhuǎn)化成熱噴涂納米涂層技術(shù)的動力，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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（作者單位：陸軍裝甲兵學(xué)院）