纳米氧化锆材料等离子喷涂涂层性能研究及应用

毛志强 李志印 王 勇

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

1 引 言

氧化锆涂层已广泛应用于航天、航空、燃气发电、化工和冶金等众多领域（表1）。随着纳米科技的发展，纳米材料显现出独特的力学、热学、电学、光学和磁学性能［1］。由于烧结和团聚等难题的困扰，目前，制备纳米结构陶瓷块体材料还存在一定的技术困难［2］。因此，制备纳米陶瓷涂层是发挥纳米材料的优异性能的一个重要途径。近年来，等离子喷涂纳米氧化锆涂层日趋成为研究热点［3-7］。但等离子喷涂技术制备纳米氧化锆涂层沉积率低，涂层性能与粉末特性、喷涂工艺密切相关［8］。本文成功地解决了纳米氧化锆等离子喷涂工艺，制备了高性能的纳米材料氧化锆涂层，并结合纳米氧化锆涂层的性能分析，对纳米氧化锆涂层应用于舰船进行了初步的探讨。

2 纳米氧化锆材料涂层等离子喷涂原理与工艺

等离子喷涂是利用高温等离子弧将喷涂粉末迅速加热到熔融或半熔融状态，靠等离子射流加速，形成飞向基材的喷涂粒子束，陆续撞击经预处理的基材表面，形成涂层。本文的等离子喷涂系统主要包括电源、气源、控制台、冷却水循环系统、送粉器和喷枪（图1）。

表1 ZrO2涂层的种类和用途

一般而言，涂层的性能主要决定于等离子弧，而等离子弧是在气流和水冷紫铜喷嘴这两个外因条件作用下，产生所谓热收缩效应、自磁压缩效应和机械压缩效应，促使电弧内部热电离过程的变化而实现的，因此产生等离子弧的等离子喷枪尤为关键。本文采用78 WⅡ型高能等离子喷涂枪，其喷嘴直径为6.5 mm。试验过程中还需要对喷枪的水冷量进行控制，保持电弧的稳定性。喷涂过程中为保证喷涂粉末获得较大的冲量，工作介质采用氮气，但由于氮气弧电压比较高，起弧相对困难，所以实验过程中先采用氩气起弧，再逐渐切换成氮气。为提高涂层与基材的结合强度，必须对基材进行喷砂处理，而喷砂的时间和供气压力以及砂型均对涂层的结合强度产生影响，本文采用石英砂喷涂10～15 min。同时在基材与涂层之间增加NiCrAl的过渡层来改善涂层的抗热震性能，具体喷涂工艺见表2。

表2 ZrO2涂层等离子喷涂工艺

纳米氧化锆粉末在等离子喷涂过程中容易烧结长大，堵塞喷枪，因此喷涂前需进行二次造粒，使其达到微米量级，本文采用的纳米ZrO2（8%Y2O3）粉末造粒前后如图2所示，形成的纳米氧化锆材料涂层见图3。

3 等离子喷涂纳米氧化锆材料涂层的性能及应用

3.1 耐酸性试验及应用

将纳米氧化锆材料涂层浸泡在王水中24 h后，采用电子显微镜观察其表面与断面结构，发现纳米氧化锆材料涂层表面和断面结构仍然致密（图4），具有很强的耐酸性。

舰船舱室空气湿度大、温度高，因此船体表面、设备金属外壳以及冷却水管路容易形成冷凝水；同时空气中盐雾也会对设备表面造成侵蚀。目前主要采取的措施就是在设备、管路表面喷涂防护漆，该措施可以在一定程度上缓解腐蚀现象，但主要存在以下问题。

1）有机材料有一定的挥发性，影响舱室空气品质。

2）有机材料是可燃物，存在火灾安全隐患。

3）在高湿环境下，防护漆容易剥落失效，需要定期修复。

对于舰船蓄电池舱的管路，需要防止耐酸雾的侵蚀，目前主要是采用防酸漆和环氧胶泥掩埋。环氧胶泥密度大，固化时间长，而且不便于维修。

因此，可以对舰船设备表面进行有效防护，抵挡冷凝水、酸雾、盐雾等介质的侵蚀。此外，本文制备的纳米氧化锆材料等离子喷涂涂层结合强度高，根据GB8642-88中热喷涂层结合强度的测定方法测得涂层与不锈钢基材结合强度为43.55 MPa，不容易失效剥落。

3.2 抗热震性能试验及应用

在φ25 mm×5 mm的45＃钢圆柱体上分别喷涂1 mm厚的两种材料涂层作为试件，试验过程先将试件在高温炉里加热到1 000℃，再用高压氮气强迫冷却到25℃，反复循环，直至涂层失效。实验结果表明，普通氧化锆等离子喷涂涂层大约循环70次，整体脱落；纳米氧化锆等离子喷涂涂层大约循环110次，部分脱落。试验结果（表3、图5）表明，等离子喷涂纳米氧化锆材料涂层抗热震性能优于普通氧化锆涂层。

表3 氧化锆涂层抗热震性能试验

普通氧化锆材料涂层高温防护的研究在20世纪60年代已经开始，20世纪90年代已广泛应用，但由于金属-陶瓷界面不稳定［9-10］，从而影响其抗热震性能，导致涂层使用寿命缩短。舰船动力装置受海上恶劣环境的影响，高温部件腐蚀尤为明显，因此需要对其表面进行防护。从上述试验结果可以看出，在同等条件下纳米氧化锆材料等离子喷涂涂层抗热震性能优于普通氧化锆涂层，使用寿命约是普通氧化锆涂层的1.6倍，可用于舰船动力装置高温部件隔热防护，提高舰船的可靠性，同时还降低维护成本。

4 结束语

本文成功地解决了纳米氧化锆材料等离子喷涂工艺，成功制备涂层，并结合其耐酸性和抗热震性能试验，提出了等离子喷涂纳米氧化锆材料涂层可应用于舰船防腐防漏、动力装置高温部件隔热防护。

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