摘要：爆炸噴涂是目前制備高質量涂層的最好噴涂技術。本文詳細介紹了爆炸噴涂的原理、特點及爆炸噴涂涂層的發展現狀，并對爆炸噴涂涂層發展趨勢作了推測，提出納米涂層是爆炸噴涂涂層的新的發展方向。 關鍵詞：爆炸噴涂；耐磨涂層；熱障涂層；納米涂層 20世紀50年代初期，美國聯合碳化物公司利德分公司發明了粉末爆炸噴涂（簡稱爆炸噴涂）技術，申請了專利，并于1953年投入生產。但他們只在本公司內為用戶提供制備涂層的服務，而不出售該技術和設備，并且至今沒有發表過關于該技術的任何論文。到上世紀60年代，前蘇聯烏克蘭科學院材料研究所和焊接研究所開始研究爆炸噴涂技術，并研制出一系列的爆炸噴涂設備。由于此技術有一定的危險性，且技術難度大，所以其它國家沒有進行該技術的研究。90年代蘇聯解體后，烏克蘭科學院與中國鈦得公司合作開發產品，使該技術公開化。俄羅斯、烏克蘭材料所和焊接所開始向外出售該技術和設備。1970年，我國的航天部六二一所也成功研制出了爆炸噴涂設備，但由于性能與烏克蘭的設備相差較大，所以國內使用的爆炸噴涂設備大多是從烏克蘭和俄羅斯引進的。目前約有近10臺爆炸噴涂設備在國內開始使用。 爆炸噴涂技術研制成功后，因其涂層比其它噴涂方法得到的涂層質量高得多，所以得到了人們的廣泛認可。一般認為，爆炸噴涂是當前熱噴涂領域內最高的技術。最初一直應用于航天和核工業等軍事領域，并逐漸向民用品發展，目前已應用到鋼鐵工業、能源工業、汽車工業等部門。 1 爆炸噴涂的原理及特點 爆炸噴涂是利用氣體爆炸產生高能量，將噴涂粉末加熱加速，使粉末顆粒以較高的溫度和速度轟擊到工件表面形成涂層。噴涂時，先將一定壓力、比例的氧氣和乙炔由進氣口通入水冷噴槍內腔，然后由供粉口將粉末送入，接著火花塞點火，氧氣和乙炔的混合氣體燃燒并爆炸，產生高溫高速氣流，將粉末加熱，并以高速（超過音速約3倍）撞擊到基材表面，形成涂層，通入氮氣清理槍管，為下一次噴涂做準備。如此重復進行。圖1為爆炸噴涂實驗裝置的示意圖。 圖1 爆炸噴涂實驗裝置示意圖 爆炸噴涂與其它噴涂工藝相比有很多優點：1) 爆炸噴涂涂層結合強度高、致密、孔隙率低。噴涂時，由于粉末顆粒迅速被加熱、加速，半熔粉末對基體的撞擊力大，所以涂層結合強度高，噴涂陶瓷粉末可達70MPa，噴涂金屬陶瓷粉末可達175MPa，涂層致密，孔隙率<2%；2) 工件熱損傷小。爆炸噴涂是脈沖式噴涂，熱氣流對工件表面作用時間短，因而工件的溫升不高于200℃，不會造成工件變形和組織變化；3) 涂層均勻、厚度易控制。爆炸噴涂每次噴涂形成的涂層厚度約為0.006mm，所以涂層的厚度均勻、易控制，工件加工余量??；4) 涂層硬度高、耐磨性好。涂層材料相同時，爆炸噴涂形成的涂層硬度更高、耐磨性更好，硬質合金涂層硬度可達1100HV；5) 爆炸噴涂可用微機控制，易于實現自動化。 但是爆炸噴涂也存在著一些缺點：1) 產生的噪音大（高達180dB），需要在專用的隔音間中進行，并由設在隔音室外的微機控制，噴涂時產生粉末飛散現象，使爆炸噴涂的使用受到一定的限制；2) 爆炸噴涂頻率為2-10次／s，每次只能形成約φ25mmX0.006mm的涂層，效率較低；3) 爆炸噴涂的噴涂粉末從噴槍中噴出，只能以直線行進，所以噴涂受基材形狀限制較大，對于形狀復雜的工件很難噴涂。 2 爆炸噴涂涂層研究 爆炸噴涂因其涂層的質量高，受到了各行業廣泛的認同和歡迎，國內外都做了大量的研究。現在，爆炸噴涂已在能源工業、汽車工業、紡織工業、鋼鐵工業及造紙行業等部門內得到了快速的發展和應用。它在許多材料上成功應用，其涂層材料的研究也得到了發展，較成功的涂層主要有耐磨涂層和熱障涂層。 2.1 爆炸噴涂耐磨涂層 磨損是材料失效的三種主要形式之一，而且是避免不了的，每年因磨損造成的經濟損失是非常驚人的。據資料統計，美國1981年因磨損造成的損失約1000億美元。我國沒有做過具體的統計，但我國材料的耐磨性與國外先進材料的耐磨性相比還有一定的差距，磨損帶來的損失也是巨大的。最初只靠發展結構材料來提高材料的耐磨性能，但結構材料的發展已接近極限，不能滿足更高的耐磨要求，噴涂技術的發展為解決材料的磨損問題帶來了新的途徑。自20世紀60年代末，各國都對耐磨涂層展開了研究。一方面，不斷地發展新的噴涂技術，爆炸噴涂因其涂層結合強度高、致密度高、對工件無熱影響性及涂層均勻、表面光潔度好等優點，成為高質量耐磨涂層主要的制造技術。另一方面，不斷地開發新的涂層材料，目前常用的耐磨涂層主要有：碳化鎢涂層、碳化鉻涂層、氧化鋁涂層、碳化鈦涂層等。 （1）碳化鎢涂層碳化鎢是一種常用的耐磨涂層材料，具有較高的硬度和優異的耐磨粒磨損性能，其硬度僅次于金剛石。噴涂碳化鎢時，由于溫度較高，WC容易分解，使涂層的結合強度和致密度大大降低。隨著復合工藝的發展，采用鈷將碳化鎢包覆起來，制成鈷包碳化鎢粉末。鈷的包覆減小了碳化鎢的氧化和分解，爆炸噴涂鈷包碳化鎢試驗表明，涂層的主要組成相為WC、W和Co，只有極少量碳化鎢發生分解產生W2C相。鈷的溫度較低，在高溫下鈷熔化，噴涂時增強了涂層與基體及涂層自身的結合強度，涂層的致密度增大，氣孔率下降（<2%），而且提高了涂層的沖擊韌度，降低了涂層的摩擦系數，提高了涂層的耐磨性。但是鈷的含量過高，將使涂層的硬度和耐磨性能下降。常用的碳化鎢涂層多是WC-12Co、WC-17Co和WC-25Co。不過碳化鎢的抗氧化性較差，所以只適用于低溫（<500℃）、非腐蝕性環境下耐磨、耐擦傷涂層。目前碳化鎢涂層主要用于提高航空航天發動機葉片、主動齒輪及一些傳動件和軸類等部件的耐磨性能。 （2）碳化鉻涂層碳化鉻呈灰白色、斜方晶系（菱面體），熔點為1895℃。常用的碳化鉻粉末為Cr3C2-25NiCr復合粉末，是由75%的Cr3C2和25%的鎳鉻合金（80Ni-20Cr）復合而成的。碳化鉻的硬度較高，在高溫環境下具有較好的耐磨損、抗氧化及耐擦傷性能，常用于噴涂腐蝕性環境下耐高溫磨損涂層（<900℃）。國內外都對這種涂層的制備工藝及涂層的性能做了全面的研究，并將其與等離子噴涂的碳化鉻涂層的性能做出了比較，發現爆炸噴涂的碳化鉻涂層比等離子噴涂的碳化鉻涂層具有更少的缺陷、更高的結合強度和更好的耐高溫磨損性能。但碳化鉻的硬度很高，在實際使用中雖提高了涂層的耐磨性，卻使摩擦副產生了嚴重的磨損。為了解決這個問題，龍彥輝等采用了向碳化鉻涂層中加入潤滑劑（CaF2）的辦法。雖然降低涂層的硬度和結合強度，但同時也減小了涂層的摩擦系數，提高了涂層的塑性變形能力，從而降低了碳化鉻和摩擦副的磨損量。由于碳化鉻的耐磨耐腐蝕性能，其涂層在石油和化工工業中得到了廣泛使用，如在油泵柱塞和化工閥芯噴涂碳化鉻涂層，使其壽命提高了數倍。 （3）氧化鋁涂層氧化鋁在自然界中自然資源豐富，價格低廉，具有多方面的優良性能，是使用最廣的高熔點氧化物材料。氧化鋁呈白色，有多種同質異晶體，常見的有α-Al203和γ-Al203兩種。α-Al203為六方結構，密度為3.95g／cm3，是各種同質異晶體中最穩定的結構，其穩定溫度可達熔化溫度。γ-Al203為立方結構晶型，密度為3.47／cm3，是低溫形態的氧化鋁結晶，在1200℃以上就開始單向轉化為高溫型α-Al203，并使體積收縮13%。噴涂中所使用的氧化鋁粉末是用高純氧化鋁形成的α-Al203經熔煉粉碎后獲得的。氧化鋁在一定高溫條件下具有優良的力學性能和化學性能，在1700-1800℃高溫時具有較強的抗氣體腐蝕作用（除了氟），在1900℃以下的強氧化性氣氛或強還原性氣氛中很穩定，氧化鋁還有良好的耐磨損、電絕緣性能。由于氧化鋁的優良性能，常用來制備高溫下要求隔熱、耐磨、絕緣的涂層。目前氧化鋁涂層廣泛應用于曲軸、凸輪軸等表面耐磨耐腐蝕涂層的制備。 2.2 爆炸噴涂熱障涂層 航空航天業的迅速發展，對發動機性能提出了越來越高的要求，要求有較高的渦輪前溫度。國外先進的發動機，在20世紀70年代渦輪前溫度高達1600k以上，90年代達到1900k左右。過去為了解決這個難題，主要是靠發展高溫合金，并在高溫合金研究上取得了一定的成功。但高溫合金的研制不僅困難很大，而且進展緩慢，靠發展高溫合金的方法已滿足不了發展的要求，所以需要利用在高溫部件上噴涂熱障涂層來降低基體合金溫度。氧化鋯涂層就是典型的熱障涂層。 氧化鋯的熔點較高，導熱系數低，是較好的熱障涂層材料。氧化鋯具有兩種主要的同質異晶體：低溫型單斜晶和高溫型四方晶。在高溫下，這兩種晶型會發生轉變，并附帶著體積突變，所以噴涂純氧化鋯會發生涂層開裂和剝落。為解決這個問題，常在氧化鋯中加入適量的氧化釔（Y203）等氧化物，來穩定氧化鋯，避免涂層的開裂和剝落。一般采用ZrO3-8Y2O3(部分穩定)和ZrO2-20Y2O3（穩定）等涂層。另外，氧化鋯涂層和高溫合金基體的熱膨脹系數相差很大，高溫工作時易產生較高的熱應力，使涂層剝落，因此常將氧化鋯涂層做成雙層結構，在基體上先噴涂一層底層，然后再噴涂氧化鋯涂層。 對于氧化鋯涂層的制備，多年以來一直主要用等離子噴涂和電子束物理氣相沉積。但是等離子噴涂制備的熱障涂層，涂層呈層狀結構，結合強度不高，噴涂過程基體溫升較高，易使組織發生變化。而且涂層表面粗糙度大，涂層中含有氣孔和未熔顆粒，易使涂層產生裂紋及降低熱障性和耐高溫腐蝕性。電子束物理氣相沉積得到的涂層，工藝復雜，沉積率低，不易制備較厚的涂層。利用爆炸噴涂的氧化鋯涂層均勻、致密度高、結合強度高，其硬度約為等離子噴涂層的兩倍，抗高溫氧化性更高。 3 爆炸噴涂的發展趨勢 爆炸噴涂的高質量涂層已得到廣泛的認可，但爆炸噴涂涂層仍然存在問題，涂層和基體的熱膨脹系數不同，容易造成涂層的開裂和剝落。發展梯度涂層，雖然可使涂層之間及涂層和基體的膨脹系數差縮小，降低熱膨脹產生的熱應力，但難度挺大，發展十分緩慢。另外隨著工業的發展，對涂層性能的要求越來越高，需要發展性能更高的涂層。 近年來，納米技術得到飛速發展。納米材料的前景是廣闊的，但目前由于技術原因，除了少數幾個方面（如燒結納米結構WC-Co制造石油和鉆探領域中的刀頭），總的來說還處在納米粉體的研究和制備階段。噴涂技術為納米材料的研究和應用提供了一個新的發展方向，其中爆炸噴涂尤為適合噴涂納米材料。納米微粒的熔點和晶化溫度均比常規粉體低得多。采用等離子噴涂方法，容易使納米微粒長大而失去納米材料的特性。超音速噴涂雖然可保持微粒的納米尺寸，涂層的結合強度和致密度與爆炸噴涂相當，但設備的投資大，且束流周沿的低速低溫微粒的直徑是爆炸噴涂的5-10倍，涂層性能均勻性不如爆炸噴涂，對工件造成的熱損傷也比爆炸噴涂大。爆炸噴涂納米粉末時，由于粉末尺寸較小，粉末顆粒更容易被加熱到熔化狀態，可以提高涂層與基體的結合強度，涂層的致密度也將大大提高。同時粉末顆粒撞擊到工件表面時，將急劇冷卻，避免了納米顆粒的長大，保護了涂層的納米特性。 許多試驗表明，納米材料與傳統材料相比，納米材料的力學性能可得到顯著變化，材料的強度和硬度可得到成倍的提高。一般，納米材料的硬度隨著粒徑的減小而增長。采用納米微粒進行噴涂可以提高涂層的硬度和耐磨性，提高涂層的結合強度和致密度。試驗證明，納米結構涂層的耐磨性與傳統粉末涂層相比提高了3-8倍。而且納米微粒的熱膨脹系數可調，可將不同熱膨脹系數材料連接，降低涂層與基體的熱膨脹系數的差距，是解決涂層開裂和剝落的一個新的方向。另外，納米熱障涂層導熱系數遠低于傳統熱障涂層，國外認為納米熱障涂層有可能把高壓渦輪葉片的使用溫度提高260℃，因此可以說納米熱障涂層將是熱障涂層的發展趨勢。 隨著粉體技術、納米技術和爆炸噴涂技術、設備的發展，爆炸噴涂的應用領域將逐漸拓寬。相信，不久爆炸噴涂納米涂層將成為噴涂技術發展的主流，對我國的經濟的發展發揮越來越重要的影響。 作者簡介：許磊（1980.5—），男，江蘇連云港人，在讀碩士研究生，主要從事爆炸噴涂WC-Co涂層研究。聯系電話：024-25691750