在工業(yè)領(lǐng)域中，涂層粉體材料是一種表面工程應(yīng)用材料，它涂覆在基體表面起到耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗老化，滿足光、電、磁等特殊作用或功能。隨著一些產(chǎn)品的制造越來越精細，服役條件越來越苛刻，對于表面涂層材料的要求也提出更高的要求。人們發(fā)現(xiàn)，當材料的特征尺度降低到納米尺度時，會因為小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、界面或表面效應(yīng)等出現(xiàn)明顯不同于宏觀世界中材料的性質(zhì)。這也促使了科學家們的一種想法，就是把納米技術(shù)與表面工程進行融合。

    表面工程是一個特殊的領(lǐng)域，它是材料和工藝相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，只有材料，而涂覆工藝不好或者不經(jīng)濟，也是無法進行的。熱噴涂是一個比較成熟的技術(shù)，它的使用最為普及，性價比也最高。如何使用熱噴涂技術(shù)對納米材料進行噴涂，曾經(jīng)是人們考慮的一個難題。因為納米粒子是一個微小粒子，如果用熱噴涂操作，納米粒子瞬間就會被燒蝕或者吹掉，材料無法到達基體，更不可能形成有效的功能涂層。解決的辦法就是把納米粒子團聚起來，形成微米級的顆粒。這樣，既有納米材料的特殊效應(yīng)，又能實施熱噴涂工藝。

    為此，美國的科學家從20世紀90年代開始進行研究，中國的科學家后來也加入到研究團隊，并獲得了成功。2000年，在美國納米材料公司產(chǎn)業(yè)化了第一個產(chǎn)品——納米鋁鈦粉涂層粉體材料，它的致密度達到95%~98%，結(jié)合強度同比提高2~3倍，耐磨性提高了3~8倍，現(xiàn)在這家公司的產(chǎn)品專門供應(yīng)美國海軍應(yīng)用。目前，這種納米團聚技術(shù)已經(jīng)成熟，通過這種技術(shù)可以開發(fā)出更多的產(chǎn)品系列。

    納米涂層材料應(yīng)用廣泛

    納米涂層應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，尤其是在航空發(fā)動機及燃氣輪機（兩機）熱端部件應(yīng)用方面，有著更為重要的意義。因為兩機裝備不僅是一個國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟的重要標志，被譽為鎮(zhèn)國之寶，現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，而且兩機裝備在我們國家國防建設(shè)中處于一個重要的戰(zhàn)略地位。專家預(yù)計，未來10年，我國航空市場規(guī)模超過萬億元。因此我們國家對于兩機裝備及其關(guān)鍵材料包括涂層材料有著更為緊迫的需求。

    2014年11月，國家自然科學基金委員會召開雙清論壇，主題為“航空發(fā)動機熱障涂層技術(shù)與應(yīng)用中的挑戰(zhàn)性科學問題”。專家們指出，熱障涂層技術(shù)是世界各國航空推進計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，有巨大的應(yīng)用前景。美國、英國、法國、俄羅斯等世界航空發(fā)動機強國已經(jīng)將熱障涂層技術(shù)廣泛地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域，并進一步推廣至電力、能源等工業(yè)領(lǐng)域。

    對于高性能航空發(fā)動機而言，其研制的最難之處在于材料和制造工藝，因為超過極限的性能要求最終都要落實到發(fā)展尖端的材料和制造工藝上。專家指出我國航空發(fā)動機研制的困難和性能差距主要體現(xiàn)在渦輪葉片以及渦輪盤材料和工藝兩個方面。現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機對渦輪性能提出的最基本要求就是能在高溫、高壓和高速條件下可靠穩(wěn)定工作。其中，高性能的葉片集先進材料、先進成型工藝、先進冷卻技術(shù)、先進涂層于一體。

    目前，我國航空發(fā)動機尤其是軍用發(fā)動機熱障涂層的壽命低于國外先進水平。同時，隨著發(fā)動機推重比的增加，燃燒室、渦輪機和壓氣機的溫度也在大幅提升，即使采用先進的定向凝固高溫合金和單晶高溫合金來做渦輪葉片，同時輔以先進的冷卻技術(shù)，也無法滿足隔熱、耐腐蝕、抗氧化的要求。因此，高溫防護涂層材料正在朝長壽命、低熱導(dǎo)率、熱輻射屏蔽性好等方向發(fā)展，它的研發(fā)將成為我國航發(fā)產(chǎn)業(yè)的一個重中之重。

    熱障涂層（TBC）主要應(yīng)用在飛機發(fā)動機、渦輪機和汽輪機葉片上，用以保護高溫合金基體免受高溫氧化和腐蝕，起到隔熱、提高發(fā)動機進口溫度和提高發(fā)動機推重比作用的一種陶瓷涂層材料。隨著發(fā)動機，渦輪機性能的提高，尤其是軍用飛機發(fā)動機葉片使用溫度越來越高，原來材料已不能適應(yīng)，發(fā)展新型涂層材料成為軍工行業(yè)急需。

    工信部2014 年發(fā)布了工業(yè)強基專項重點方向，在高端裝備基礎(chǔ)能力提升之工業(yè)零部件表面強化用高性能涂層材料方向中列出的7種涂層材料中就有2個涉及到熱障涂層材料，一種是作為熱障涂層結(jié)合層的多組元MCrAlY材料，一種是作為熱障涂層面層的復(fù)相陶瓷材料。

    燃氣輪機的情況也是如此。目前，跨國公司把持了燃氣輪機供應(yīng)及維修市場，壟斷的結(jié)果是支付高昂的代價，不僅體現(xiàn)在初始投資，運維費用更是高得驚人。以上海漕涇天然氣發(fā)電廠為例，自從建成后，僅2009年至2011年之間，檢修維護花費了驚人的3.83億元。已經(jīng)超過總投資的13%。上海臨港燃機的費用更是驚人，西門子全年維修費用平均為1.2億元。在這些維修項目中，熱通道部件普遍存在涂層脫落、裂紋、燒損，這些費用占到整個維修費用的80%。

    納米涂層材料與３Ｄ技術(shù)結(jié)合

    哈爾濱工業(yè)大學納米表面工程研究室瞄準國家重大需求，在熱障涂層及過渡合金層研究方面進行了刻苦攻關(guān)。他們創(chuàng)制了幾種獨特的成分控制精、致密度高、球形度好、粒度分布范圍窄、流動性好的合金與陶瓷粉末材料，不僅可廣泛用于制備兩機中的關(guān)鍵核心零部件，而且還有望用于3D打印零部件。

    他們通過特殊的納米粉體造粒調(diào)控技術(shù)，研制出了納米結(jié)構(gòu)鋯酸鹽熱障涂層粉體材料，為我國發(fā)展高端發(fā)動機提供了技術(shù)支撐。用這種的鋯酸鹽粉體材料制備的納米陶瓷型涂層的隔熱效果比相同厚度的現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)微米陶瓷層涂層提高了很多。此外，納米結(jié)構(gòu)的雙陶瓷型涂層具有更好的熱震性能。

    多組元MCrAlY系列高溫合金粉末材料，由于具有抗高溫氧化及熱腐蝕性能好、塑性較好、與基體熱膨脹系數(shù)相近、對基體性能影響較小、成分可調(diào)等優(yōu)點，就被大量作為熱障涂層的結(jié)合層，或被作為單獨的涂層應(yīng)用到航空發(fā)動機及燃氣機上。由于3D打印技術(shù)的發(fā)展，這種MCrAlY合金粉末有望直接用于打印發(fā)動機、渦輪機葉片等熱端部件，從而改變目前在高溫合金基體再噴涂熱障涂層的多重工藝，直接快速3D打印出基體與涂層材料功能一體化的葉片等零部件。

    哈爾濱工業(yè)大學納米表面工程研究室所研發(fā)的改性MCrAlY系列高溫合金粉末可以使最終零部件的強度、硬度、抗熱震能力、抗高溫氧化硫化腐蝕能力等明顯提高，而且，作為涂層使用時與基體間的結(jié)合強度達到60MPa以上，遠遠高于工信部要求。

    增材制造被稱為第四次工業(yè)革命，近年來發(fā)展迅猛。但是，3D打印在我國的發(fā)展面臨著一個嚴重的瓶頸，就是耗材。盧秉恒院士明確地指出增材制造的前景是“創(chuàng)材”。研制出超高強度、超高耐溫、超高韌性、超高抗蝕、具有一定的環(huán)境適應(yīng)性的新材料，就有可能成為中國在3D打印市場的突破口。3D打印材料盈利能力在產(chǎn)業(yè)鏈中最強，毛利率在60%~80%，遠高于3D打印的其他環(huán)節(jié)。

    綜上所述，納米涂層粉體材料在提升我國裝備制造中有巨大的應(yīng)用潛力，希望這些產(chǎn)品應(yīng)用我國的航空發(fā)動機及燃氣輪機裝備上，為我們國家的國防事業(yè)貢獻出自己的一份力量。