面向高端装备的纳米热喷涂涂层2

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1、面向高端装备关键构件的纳米热喷涂涂层刘勇1，刘赛月1，王铀*1，王超会1,2，李学伟1,31哈尔滨工业大学材料科学系纳米表面工程研究室，哈尔滨1500012齐齐哈尔大学材料科学与工程学院，齐齐哈尔　1610063黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨　150022*Correspondingauthors:YouWang,Tel:+8645186402752;Fax:+8645186413922;E-mail:wangyou@hit.edu.cn;摘要[中国热处理与表层改性技术路线图]指出[1]：“热处理与表层改性技术作为先

2、进材料和高端装备制造的核心技术、关键技术、共性技术和基础技术，是国家核心竞争力，在中国走向材料强国和机械制造强国的进程中有着举足轻重的作用。”热喷涂技术作为先进的表面层改性技术可以大量应用于高端装备关键构件上。纳米热喷涂涂层技术是纳米材料和热喷涂技术的结合和综合应用，长期以来都作为一个特殊的应用领域受到西方发达国家军方和工业界的高度重视，这是因为飞机、舰船等各种高端装备都面临着极端的服役条件。本文列举了热喷涂的纳米结构耐磨抗蚀陶瓷涂层、纳米结构双陶瓷热障涂层、纳米改性MCrAlY合金涂层和替代镀硬铬的纳米改性金属陶瓷涂层的研究

3、进展，说明纳米结构和纳米改性热喷涂涂层在高端装备关键构件上有非常广阔的应用前景。强国强军，就应刻不容缓地发展纳米热喷涂技术！关键词：材料学，热喷涂涂层，纳米，高端装备，关键构件中图分类号TG174.4531.引言由中国工程院立项，经全国热处理学会组织编制的[中国热处理与表层改性技术路线图]指出[1]：“热处理与表层改性技术作为先进材料和高端装备制造的核心技术、关键技术、共性技术和我基础技术，是国家核心竞争力，在中国走向材料强国和机械制造强国的进程中有着举足轻重的作用。”高端装备是制造业的领头羊，关键构件是高端装备的核心。长期以

4、来，中国关键构件存在寿命短、可靠性差和结构重这三大问题，严重制约着高端装备发展和安全服役。有识之士早已清楚地认识到：没有先进的热处理和表面层改性技术，就没有先进材料、关键构件和高端机械制造[1,2]。热喷涂是工业领域中应用非常广泛的表面层改性技术。早在上世纪50年代起，热喷涂技术就用于航空发动机上的热障涂层、封严涂层、抗高温烧蚀涂层、耐磨损涂层。据文献报道，美国航空飞机中需要采用热喷涂技术的零件至少7000多件。热喷涂技术也大量应用于舰船装备上，如美国海军在舰船上应用的热喷涂陶瓷涂层就有多种多样，其中，仅氧化物陶瓷涂层就用于美

5、国海军装备的数百种零部件上。BCC公司一项新的技术市场研究报告指出，北美高性能陶瓷涂层市场在2012年高达19亿美元，其中热喷涂约占65%以上的市场份额[3]。由于普通纳米粉尺寸小、质量轻，易被气流吹散或被高温火焰烧蚀掉，故不能直接用于热喷涂。上世纪末研究出的纳米粉体再造粒方法，使具有纳米结构的粉末材料能够用于传统的热喷涂喷枪上，从而使制备出纳米结构热喷涂涂层成为可能。在传统的表面工程技术中引入纳米尺度的颗粒或纤维，或纳米改性剂改变传统的涂层组织结构，制备出所需表面性能的纳米改性涂层则是一个低成本高收效的方式。纳米热喷涂涂层技

6、术是纳米材料和热喷涂技术的结合和综合应用，长期以来都作为一个特殊的应用领域受到美国军方的重视，这是因为舰船、飞机和陆上装备都面临着极端的服役条件。如今，纳米热喷涂技术已成为热喷涂技术新的发展方向。特别在目前的国际和周边环境下，发展纳米热喷涂技术更是刻不容缓的强国强军的需要！2.研究内容与结果2.1纳米结构耐磨抗蚀陶瓷涂层磨损、腐蚀、疲劳是机械零部件的三大主要失效形式。80%的机械零部件废弃于材料的磨损失效，世界上生产的一次能源有1/3以上消耗于摩擦磨损。根据《中国腐蚀调查报告》的资料,我国近年来的年腐蚀损失约占国民经济生产总值

7、的5%,估计腐蚀造成的直接经济损失在1万亿元以上。中国工程院相关统计表明我国因为磨损和腐蚀造成的损失约占GDP的9.5%[4]。上世纪末，美国纳米集团英佛曼公司采用王铀教授发明的纳米技术制造出了具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能的纳米陶瓷涂层。如所开发出的纳米结构Al2O3/TiO2陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能。这一在世界上首获实际应用的热喷涂纳米结构涂层技术被美国海军称之为一项革命性的先进技术，并已被广泛应用于军舰

8、，潜艇，扫雷艇和航空母舰设备上的数百种零部件上(包括潜艇上的进气和排气阀件，潜艇舱门支杆，航空母舰用电机和油泵的轴，扫雷艇上的主推进杆，气体透平机的螺旋泵转子和燃料泵部件等)。2001年，该技术获得被美国媒体誉为应用发明诺贝尔奖的世界研究开发百项奖和美国国防部军民两用先进技术