热喷涂制备纳米涂层的研究现状与展望

惠阳

【摘  要】纳米材料具有较小尺寸的晶粒，同时拥有表面效应以及量子效应等优势，在很多方面都具有典型性能，诸如光、热、化学以及磁等方面，已经是当前重点研究的领域。应用纳米涂层，提供给纳米材料更新的发展方向。很多的制备纳米涂层技术中，最为经济有效的制备纳米涂层的方式即为热喷涂技术，可以展现出防腐蚀、耐磨、热绝缘等功效。本文对于热喷涂制备纳米涂层的研究情况展开分析。

【关键词】热喷涂;纳米涂层;制备;研究现状;未来展望

在纳米技术不断进步与发展的情况下，传统的表面工程迈进了纳米表面工程时代。在纳米表面工程中，热喷涂为组装纳米材料成纳米涂层非常有效的策略。纳米涂层组装是一项纳米表面工程，经特殊工艺进行加工零维的纳米质点、一维纳米线成纳米结构喷涂粉材，通过现代表面加工技术构建纳米涂层，也能够通过现代表面加工技术于基材表面直接的组装为纳米涂层。

一、热喷涂纳米涂层制备方法现状分析

（一）等離子喷涂法（PS）

等离子喷涂工作气体的构成就是Ar、N2或增添百分之五至十的H2。电极区纳入了工作气体之后，通过阴极、阳极之间所形成直流电弧，进行加热离解为高温等离子体，同时喷出于喷嘴，产生高速等离子焰流，每秒500米到1 500米之间。送粉气进行载入喷涂粉末在离子焰流内，极快的产生受热并且熔化，迅速在基体表面喷射沉积产生涂层。等离子喷涂纳米涂层就是，可喷涂纳米的材料非常多，纳米涂层具有较少的孔隙，而且具备较强的结合率，能够采取惰性气体当作工作介质，所以能够将纳米粒子飞行期间形成的氧化问题明显减少。

（二）超音速火焰喷涂法（HVOF）

燃料气体跟助燃剂或者是液体燃料跟助燃剂，在采取相应比例于燃烧室中导入，同时进行混合的情况下，在电火花点燃基础上产生爆炸式燃烧的情况。在燃烧以后所形成的高温高压气体，基于喷嘴的作用下前提下，产生超音速焰流，并且送粉气把喷涂粉末输送到高温燃气内形成加热熔融，进而随着焰流高速喷射，在基体表面进行沉积，之后产生涂层。超音速火焰喷涂纳米涂层的典型特征就是，纳米粒子具有较快的运动速度，受热温度较低，同时具备均匀的受热现象，可以集中能量，同时纳米涂层内通常无氧化物，具备稳定的涂层化学成分，在一些硬质耐磨涂层中适用性较高。而且具备极高的致密度，同时具有较低的孔隙率以及较高的结合强度，能够进行制备厚涂层。

（三）爆炸喷涂法（D-GUN）

先把相应比例O2、C2H2通过阀门系统，在混合室中进行混合，之后在枪筒中送进，之后在枪筒内进行送进雾化处理以后的喷涂粉末。通过火花塞点火，混合气体出现燃烧以及爆炸的情况，由此形成爆轰波。爆轰波的高温、高冲击压力状态中，喷涂粉末出现熔融，而且被高速喷向基体表面进而产生涂层。结束了一次爆炸之后，把清洗气N2送入到室内，把剩余的燃气以及粉末进行清除，提供给下次的爆炸准备工作。爆炸喷涂纳米涂层的特征也是相对显著的，即具备致密的涂层以及较低的孔隙率，而且涂层相对平滑状态。

（四）双丝电弧喷涂法（TWAS）

把导电金属丝材料（相反极性的两根）当作自耗电极，基于喂料滚轮下连续的进给，一直到喷枪端口部位形成接触，产生短路以及形成电弧。电弧产生的热量，熔化了金属丝材，再采取压缩空气，雾化处理熔化的金属为微熔滴，之后在基体的表面部位进行喷射，最终产生涂层。双丝电弧喷涂纳米结构涂层的电弧喷涂的产生，主要是通过纳米丝材电弧熔化以及雾化之后得到，完全的燃烧了粒子，所以具备相对稳定的喷涂质量，而且拥有较高的生产以及节能效率。

（五）冷喷涂法（CS）

工作气、送粉载气于高压源加压后加速。工作气为形成高速的重要性介质，进入到腔膛前，预热大约一百到六百摄氏度之间，使得颗粒流速提升。载气受热于另一加热器之后，通过送粉器，把粉末在喷枪送进，混合其他的工作气。基于Laval喷嘴作用中提供给工作气携带粉体颗粒较强的超音速流动，按照完全固态模式在基体表面进行喷射沉积，最后产生涂层。冷喷涂纳米涂层因为冷喷涂实施加速气流温度在600 ℃以下，同时具有较快的纳米粒子速度，所以能够防止产生氧化以及分解等问题，让涂层具备最初纳米粒子性质。

二、关键技术和发展趋势

纳米涂层材料制备包含了较多的关键技术。首先，就是纳米粉末材料的输送技术。纳米颗粒具有较轻的质量，相较于表面积而言更大，实施喷涂期间，纳米粉末不具有良好的流动性，所以很容易产生粉末输送堵塞的问题，也阻碍纳米颗粒直接的在基材表面形成涂层。所以，可以实施纳米粉末粒子复合再造粒技术，进行制备存在纳米晶结构的微米球形颗粒粉末材料。其次，纳米粒子长大的抑制技术，使得于涂层内对于纳米晶结构实施有效的保护。将喷涂粒子飞行速度进行提升，把喷涂热源温度减小，实施各种涂层制备技术（SPS，CGDS，HVOF等）为获取纳米晶涂层关键性模式。最后，纳米合金粉末材料的制备技术。制备纳米合金粉末材料举措是较多的，气体沉积法就是普遍应用到的方案，常见的就是等离子体以及高频感应等。为了进一步的提升生产效率，减少成本支出，未来需要不断的革新制备技术。

热喷涂纳米结构涂层把纳米技术结合起了先进制造技术，具备广阔的工业发展潜力，未来需要更加广泛的应用热喷涂涂层以及进一步的扩展应用领域。在未来的发展中，应该形成更健全完整的系统理论、应用理论，具体包括不断的完善研究喷涂用纳米粉体的开发以及生产，至设计、制备涂层，热喷涂期间粉末颗粒熔化机理，应用涂层等等方面。同时将自动控制系统应用到纳米热喷涂工艺中不断的推进，热喷涂技术是工艺性阶段上，依靠严格的规程以及经验掌控涂层质量。通过全面地落实纳米热喷涂技术的全程自动监测以及控制，达到热喷涂纳米涂层技术更先进化的发展。另外，要加大力度探究热喷涂纳米涂层技术跟其它的纳米表面，例如纳米热喷涂复合于纳米激光重熔、纳米热喷涂复合于纳米电刷镀等，优化纳米热喷涂技术。

结束语

热喷涂纳米涂层技术在我国的发展相对较晚，其涵盖了众多的学科领域，相对复杂。但是当前纳米材料制备技术的发展前景依然是非常广阔的，需要未来进行不断的深入研究，相继改进已有技术，探索新型的技术手段，转化成热喷涂纳米涂层技术的动力，推动产业化发展。

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（作者单位：陆军装甲兵学院）