高溫陶瓷涂層

1、概況 隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)材料性能的要求愈來(lái)愈高。由于工程機(jī)械、設(shè)備及構(gòu)件的工作條件日益苛刻，要求材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗震動(dòng)、抗疲勞、抗溫度急變以及耐沖刷等性能，以致單純的金屬材料已不能滿(mǎn)足要求。高溫陶瓷材料則由于脆性和抗溫度急變性差，使其應(yīng)用也受到一定限制。因此在基體表面加涂陶瓷涂層的方法來(lái)制備既具有金屬的強(qiáng)度和韌性又有陶瓷耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料的工作越來(lái)越受到人們的重視。目前高溫陶瓷涂層已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防、化工、機(jī)械、電力、電子等工業(yè)，并且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，有著廣闊的發(fā)展前景。高溫陶瓷涂層的種類(lèi)繁多，用途很廣，幾乎所有的無(wú)機(jī)材料都可被作為涂層的原料，但主要的

2、組成可概括為：氧化物及復(fù)合氧化物金屬間化合物，例如鋁化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等難熔化合物(后四種有時(shí)也稱(chēng)為“硬質(zhì)金屬”)金屬或合金以上三種組成的復(fù)合體高溫陶瓷涂層一般是加涂在金屬基底材料上。金屬基底材料包括鑄鐵、低合金鋼、高溫合金(鎳基、鉆基合金)、活性金屬(如鋯、鈦)及難熔金屬(鎢、鉬、鈮、鉭、釩)等。此外，即使陶瓷材料，雖然一般認(rèn)為已具有耐高溫的性能，但當(dāng)需要某些特殊性能時(shí)，還必須借助于涂層。石墨雖具有高溫強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、低彈性模量等優(yōu)良性能，但它不抗氧化、也不抗沖刷，因此涂層可幫助它克服上述缺點(diǎn)。為了得到良好而滿(mǎn)意的基底高溫陶瓷涂層復(fù)合材料，必須考慮改進(jìn)被涂的基底材料的加

3、涂性能。也就是說(shuō)，一方面從改進(jìn)涂層著手，另一方面從改進(jìn)基底材料著手，使其更適合于采用加涂涂層的方法來(lái)獲得滿(mǎn)意的耐高溫復(fù)合材料。 噴涂法是在高溫下將涂層材料熔化和霧化，形成熔融或半熔融狀態(tài)的粒子流，以極高的速度噴鍍于底材表面上的涂覆方法，噴涂法最早是由瑞士的MUSehoop于1910年發(fā)明的。化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD)(CVD)是指在相當(dāng)高的溫度下，混合氣體與基體的表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在基體表面形成一種金屬陶瓷的固態(tài)薄膜或鍍層。物理氣相沉積物理氣相沉積(PVD)(PVD)有離子鍍法、濺射法和蒸鍍法等。離子鍍法是用電子束使蒸發(fā)源的材料蒸發(fā)成原子，并被在基體周?chē)牡入x

4、子體離子化后，在電場(chǎng)作用下以更大動(dòng)能飛向基體而形成涂層。濺射法即以動(dòng)量傳遞的方法將材料激發(fā)為氣體原子，并飛出濺射到對(duì)面的基體表面上沉積而形成涂層。蒸鍍法即蒸發(fā)鍍膜，是用電子束使蒸發(fā)源的材料蒸發(fā)成粒子(原子或離子)而沉積在工件表面上形成涂層。 復(fù)合鍍層就是在一定濃度的鍍液中放人一些不溶性的陶瓷微粒，并進(jìn)行攪拌，使之分散均勻，在進(jìn)行電鍍或化學(xué)鍍的過(guò)程中，陶瓷微粒在鍍層中被共析，成為金屑陶瓷復(fù)合鍍層。 復(fù)合鍍層材料是一種增強(qiáng)材料，可以作為常溫和高溫的耐磨材料和抗蝕材料，并可用作切削刀具，在航空和棱工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域及汽車(chē)工業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用。航天飛機(jī)返回地面時(shí)經(jīng)過(guò)大氣層，由于空氣的摩擦作用機(jī)身要經(jīng)受1

5、000 以上的高溫沖擊，為了保持艙內(nèi)正常溫度，在機(jī)身表面涂上黑色硼化硅和白色硼硅酸鹽涂層。波音707飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)里有許多部件，如燃燒室內(nèi)壁，壓氣機(jī)的襯套，齒輪箱傳送裝置等大量使用碳化鉻和碳化鎢等耐磨涂層。將鈦酸鋇噴涂在01毫米的鐵皮上，涂層的厚度為30urn時(shí)，它的介電常數(shù)已超過(guò)6OOO了。這種高介電常數(shù)涂層已廣泛用于固定電容器、可變電容器、混合集成電路的片電容器和電容器網(wǎng)絡(luò)的基片上。在汽車(chē)工業(yè)中，為了減輕重量而開(kāi)發(fā)新一代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，歐洲和日本的汽車(chē)制造廠(chǎng)家已經(jīng)采用了合金上電解沉積鎳SiC復(fù)合鍍層。這種鍍層還能大大提高了耐磨性能、潤(rùn)精性能和耐高溫氧化性能。將氧化锫陶瓷粉末噴涂在內(nèi)燃機(jī)燃燒室的內(nèi)壁，可提高內(nèi)燃機(jī)的工作溫度，節(jié)省燃料和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。 在冶金工業(yè)和機(jī)械工業(yè)中金屬的冶煉、熱加工和熱處理都必需在高溫下進(jìn)行。為了防止金屬的高溫氧化、滲氮和滲氧，往往在金屬表面施涂熱處理保護(hù)涂層。這種涂料通常是由有機(jī)或無(wú)機(jī)粘接劑與硅酸鹽、硼酸鹽等組成，工件涂上這種涂料后能在熱處理過(guò)程中形成高粘度低膨脹系數(shù)的玻璃相致密保護(hù)層，以阻止氣體的擴(kuò)散。工件冷卻后涂層亦會(huì)自動(dòng)剝落。熱處理保護(hù)涂層能節(jié)約金屬原材料，減少零部件的枕械加工量，提高金屬表面質(zhì)量。 高溫陶瓷涂層作為材料表面工程的重要技術(shù)，探索與發(fā)展新的性能優(yōu)良的陶瓷涂層的工藝是今后發(fā)展的一個(gè)主要方向。需要指出