Al2O3陶瓷材料常用作制備耐磨、耐高溫、耐腐蝕的涂層， 以保證機械零部件在惡劣工況下穩定運轉。目前常用的陶瓷涂層制備工藝有等離子噴涂技術、火焰噴涂技術、電弧噴涂技術等，等離子噴涂技術相對于火焰噴涂、電弧噴涂等方法，具有涂層質量好、噴涂材料廣泛、噴涂效率高等優點。Al2O3在陶瓷材料中的應用較廣泛，但Al2O3涂層脆性大、易產生裂紋。在實踐中，通過添加TiO2、稀土元素/ 其氧化物、碳纖維/ 碳納米管等其它硬質相克服這些缺陷，成為了新的研究方向。Al2O3復合涂層具有優異的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕， 抗熱震性等性能。本文從Al2O3復合涂層等離子噴涂制備方法、Al2O3復合粉末材料、Al2O3梯度涂層、等離子噴涂Al2O3復合涂層的工藝等幾個方面， 對等離子噴涂Al2O3復合涂層的研究進展進行了綜述。

    1 Al2O3復合涂層等離子噴涂制備方法研究

    等離子噴涂技術有多種方法， 目前最常用的主要有大氣等離子噴涂、超音速等離子噴涂、低壓等離子噴涂等噴涂方法。此外，利用等離子噴涂- 激光重熔的復合方法制備涂層， 也得到了越來越多專家學者的關注。

    1.1 大氣等離子噴涂

    大氣等離子噴涂（APS）工藝被廣泛應用于機械零件的表面強化與修復。Xu J 等通過APS 技術制備Al2O3-TiB2-TiC/Al 復合涂層， 發現與基體MB26鎂合金的結合強度較好，涂層的硬度、耐磨性明顯高于基體。李國祿等[2]對比了APS 技術和SAPS 技術制備的Al2O3-13%TiO2涂層的組織和性能， 發現APS 技術制備的涂層層狀結構明顯、涂層疏松、孔隙率及顯微硬度分別為6.653% 和836.93 HV0.1；SAPS 技術制備的涂層性能較優， 孔隙率及顯微硬度分別為3.467%和1 078.68HV0.1。大氣等離子噴涂制備的Al2O3復合涂層多為層狀多孔結構， 這些缺陷降低了涂層的耐高溫、耐腐蝕、耐磨等性能，縮短了涂層的服役壽命。

    1.2 超音速等離子噴涂

    超音速等離子噴涂（SAPS）焰流具有高溫、高速的特點，可改善大氣等離子噴涂涂層的結合強度、致密性。研究表明，高效能超音速等離子噴涂系統（HEPJet）制備的Al2O3涂層的孔隙率為0.83%，而普通噴涂系統制備的涂層的孔隙率為3.01%，HEPJet涂層的孔隙率比普通等離子系統涂層有大幅度降低。馬建龍等在45 鋼基體上以Al/Ni 合金粉打底，噴涂AT13 涂層，優化參數后測得顯微硬度為1208HV0.1、孔隙率為2.26%、結合強度為48MPa。SAPS技術粉末加熱時間短， 對粉末顆粒大小要求比較嚴格，涂層生產成本較APS 技術增加。

    1.3 低壓等離子噴涂

    低壓等離子噴涂（LPPS）又稱真空等離子噴涂，在低壓保護氣中操作，獲得的涂層不受污染、結合強度高。Han 等利用LPPS 制備的CoCrAlYTa-10%Al2O3涂層結構致密、硬度高，涂層與基體結合良好，具有良好的抗沖刷腐蝕及抗高溫氧化性能。鄧暢光等利用LPPS 工藝制備的Al2O3涂層，沉積率達到50%以上，孔隙率降到2% 以下，涂層韌性和致密性明顯優于常規等離子噴涂涂層。與大氣等離子噴涂相比，低壓等離子噴涂制備的熱障涂層，沒有明顯的層狀結構，涂層致密但投資高，熱焓低，不易噴涂高熔點材料，噴涂工件大小受真空室限制，其主要用于制備航空工業等高科技領域的涂層。

    1.4 等離子噴涂-激光重熔復合制備方法

    激光重熔是利用高能束，快速熔化涂層，冷卻凝固，形成熔覆涂層。等離子噴涂涂層激光重熔后，涂層表面光滑平整、組織均勻、層狀堆積結構消失。QianJ等利用等離子噴涂-激光重熔法制備了NiAl-Al2O3涂層，涂層致密、耐磨性能提高， 孔隙率下降， 涂層微觀硬度達3290～5200HV0.05。Li C 等研究了重熔等離子噴涂納米AT13 涂層的微觀組織結合狀態和失效行為， 發現重熔后涂層中亞穩定相γ-Al2O3轉變為穩定相α-Al2O3，與基體結合由機械結合轉變為冶金結合，結合界面沒有孔隙，涂層致密、均勻。通過劃痕破壞， 發現噴涂涂層以脆性斷裂和剝落破壞為主，而重熔涂層以局部的脆性斷裂為主。

    激光重熔Al2O3復合涂層可改善涂層組織結構及其結合狀態，但也存在一些氧化燒損、裂紋、孔洞等缺陷。通過調節工藝參數、預熱基體、制備梯度復合涂層、添加增強相，可減少裂紋、氣孔的產生，改善涂層的性能。

    2 Al2O3復合粉末材料研究

    Al2O3涂層脆性大、韌性差、結合強度低，為了改善單一涂層性能，通常添加TiO2、稀土元素/ 其氧化物、碳纖維/ 碳納米管等其它硬質相形成復合粉末材料，克服單一Al2O3粉末材料的缺陷。

    2.1 Al2O3-TiO2復合粉末材料

    TiO2相對于Al2O3熔點低，涂層的孔隙率低、韌性好、結合強度高，在Al2O3中添加TiO2可均勻化組織，改善涂層結構性能。

    Girolamo 等對比Al2O3-3%TiO2和Al2O3涂層性能，發現Al2O3涂層硬度大于Al2O3-3%TiO2，但是涂層的硬度分布均勻性較好。JiaSK 等研究了TiO2含量對Al2O3涂層的影響，噴涂原料中TiO2含量的增加，涂層孔隙減少，致密性增加，涂層耐腐蝕性增加，但隔熱性能減少，TiO2涂層比Al2O3涂層有更高的熱導率、更小的脆性，可釋放應力、減少裂紋。姚舜暉等通過對比Al2O3、AT13、AT40 涂層的磨損性能，得出TiO2的含量增加，降低了Al2O3涂層的顯微硬度、耐磨性。

    向Al2O3粉末中添加TiO2， 可明顯改善涂層的微觀組織和結構性能，TiO2含量增加， 降低了涂層的硬度、耐磨性，但涂層的組織更加均勻，致密性和耐蝕性增加，有效提高了涂層的服役壽命。

    2.2 Al2O3-碳纖維/碳納米管復合粉末材料

    碳纖維及與其對應的碳納米管（CNTs）強度、剛度高，常作為涂層增強材料，提高了涂層的耐磨性、耐熱性。

    Tercero等制備了一種添加碳纖維Al2O3增強羥基磷灰石復合生物陶瓷材料， 發現力學性能得到很大提高。趙巖等利用等離子噴涂工藝制備了Al2O3-碳纖維復合涂層，發現由于碳纖維本身優異的強度、剛度及耐磨、耐熱性能，涂層的耐磨性、結合強度得到明顯提高。KBalani 等研究了添加碳納米管的陶瓷復合涂層，發現Y- 型結構的存在，其與Al2O3涂層的熔合可提高涂層的力學性能， 增加涂層的韌性。Keshri 等提出了制備高密度碳納米管增強Al2O3涂層的原理方法，并分析了影響孔隙率的工藝參數。添加碳纖維/ 碳納米管， 可改善涂層內部組織的結合方式，提高力學性能。涂層組織在碳纖維或者納米碳管相互牽制作用下， 涂層的韌性增加， 耐磨性、結合強度提高。

    2.3 Al2O3-稀土氧化物/稀土元素復合粉末材料

    稀土氧化物/ 稀土元素具有獨特的物理、化學性質，可均勻強化組織，所以稀土在熱噴涂涂層中的應用越來越受到人們的重視。

    He 等制備了Al2O3-CeO2復合涂層，發現CeO2能有效降低涂層孔隙率，提高涂層的綜合性能。孫永興等在AT13 中添加3%、6%、9% 的LaO2制備復合涂層，發現LaO2分布在AT13 顆粒的表面，能形成低熔點的液體，減少氣孔，改善涂層的致密性，提高結合強度和耐熱沖擊性。李淑華等在Al2O3粉末中加人適量的稀土元素Fe-Si-Ce-La-Ca， 發現稀土元素可促使涂層晶粒細化， 形成非晶和微晶的混晶結構，非晶具有各向同性，微晶可改善涂層結合強度，從而提高涂層的耐蝕性。顏建輝等在AT40 中添加了La2O3，發現涂層組織細化致密，硬度、韌性、耐磨性提高。Al2O3粉末中添加的稀土氧化物/ 稀土元素作為硬質相分布在涂層中， 可改善涂層的微觀結構及其性能，均勻涂層組織，提高涂層的致密度、耐磨性、耐蝕性。

    3 Al2O3梯度涂層研究

    Al2O3陶瓷材料脆性大， 與基體金屬膨脹系數、熱導率等差別大，造成熱應力集中，涂層容易出現裂紋或剝落。為了克服這些缺陷，可設計梯度涂層，梯度涂層是指從基體到涂層表面在材料組成、結構、密度及功能上呈現連續變化的一種復合結構。梯度涂層實現材料的階梯過渡， 緩和了材料之間由于熱物理性能差別產生的熱應力，有效提高涂層質量。

    張景德等制備Fe3Al-Al2O3梯度涂層，發現涂層結合強度高，其抗熱震性800℃高于常規的Al2O3涂層。雷阿利等選擇NiAl 和Cu 作過渡材料，對比純Al2O3陶瓷涂層、NiAl-Al2O3梯度涂層和Cu-Al2O3梯度涂層的性能，發現梯度涂層可以有效地提高涂層的結合強度， 而Cu-Al2O3梯度涂層又比NiAl-Al2O3梯度涂層結合強度高， 制備的梯度涂層的孔隙率遠低于常規雙層涂層的孔隙率，并且Cu-Al2O3梯度涂層孔隙率低于NiAl-Al2O3梯度涂層。YanD 等通過對比Al2O3、Al2O3-13% TiO2及Ni-Al-13%TiO2-Al2O3梯度涂層在HCl 中的腐蝕機制，發現涂層的腐蝕程度依賴于涂層的孔隙率，尤其是貫通性孔隙。Al2O3涂層孔隙比Al2O3-13% TiO2多， 而Ni-Al-13%TiO2-Al2O3梯度涂層孔隙最少，沒有貫通性孔隙，因此涂層的耐腐蝕性大不相同。Al2O3涂層持續17 h 遭到破壞，Al2O3-13%TiO2持續23 h， 而Ni-Al-13%TiO2-Al2O3持續14d。Al2O3梯度涂層的設計與應用，降低了涂層孔隙率，提高了常規Al2O3復合涂層的結合強度、耐磨性和抗熱震性等性能。

    4 等離子噴涂Al2O3復合涂層工藝研究

    4.1 實驗中噴涂工藝參數的選擇

    決定涂層質量的不僅有噴涂的方法、材料，選擇合理的噴涂工藝也是保證涂層質量的重要措施之一。噴涂的工藝參數主要有功率、主氣流量、送粉量、噴涂距離、噴涂速度等。

    Yugeswaran 等在不同的特征噴涂參數（CPSP=P/Q，P 為功率、Q 為主氣流量）下，通過APS 技術噴涂AT3、AT13、AT40 涂層， 發現CPSP 在1166.66 時AT13 涂層孔隙率低、耐滑動磨損性能好，而AT3 硬度高、耐沖蝕磨損性能好，在相同情況下，AT40 涂層性能比較差。Wang 等利用SAPS 技術在52、54、58、60kW 不同的功率下制備Al2O3涂層， 發現隨著功率的增加， 涂層組織致密度增加， 硬度和強度提高。其中，在最優功率58kW 時，抗彎強度為112.8MPa，維氏硬度為2.8GPa，進一步增加功率時，涂層的質量逐漸降低。鄧春明等利用LPPS 技術在不同的壓力、功率下制備Al2O3涂層，發現隨著功率和壓力的提高， 涂層的致密性明顯提高， 但壓力較高時，功率對涂層的致密性影響不大。

    4.2 數值模擬研究

    等離子噴涂涉及溫度場、力場等多場耦合，通過實驗很難全面分析相關參數之間的關系， 利用計算機模擬噴涂過程，可搭建數學模型，探究涂層應力-應變的變化，為制備涂層提供理論依據。

    Li 等模擬超音速等離子噴涂AT13 涂層過程中的溫度場，發現在測量范圍內，噴涂距離增加，粒子飛行速度呈拋物線形狀降低， 粉末的表面溫度在增加后降低，噴涂距離80mm 內，粉末內部溫度超過材料的熔點。劉紅兵等利用數值模擬的方法分析了梯度分布指數、梯度層層數和梯度層厚度對A1203/316L 功能梯度涂層的殘余熱應力的影響，得到材料中熱應力緩和效果最佳的組成參數， 為梯度涂層的制備提供了理論依據。劉前等采用有限元法探討了Al2O3-40%TiO2復合陶瓷涂層的涂層厚度、孔隙、裂紋等因素對殘余應力的影響，解釋了在冷卻過程中涂層崩裂的現象。

    5 展望

    Al2O3復合涂層失效和涂層內的微觀缺陷、結合強度、表面粗糙度緊密相關。改善噴涂工藝、材料成分及激光重熔處理可減少涂層的孔隙、裂紋等缺陷，提高涂層的性能。針對未來Al2O3復合涂層的研究提出以下幾個方向：

    （1） 優化噴涂設備，實時采集噴涂參數，實現閉環控制噴涂系統，提高涂層質量。

    （2） 加大不同配比的Al2O3復合粉末材料的性能研究，配制高性能新材料，制備高質量涂層。

    （3） 結合數值模擬，探究噴涂過程，優化工藝參數，為制備涂層提供理論依據。

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責任編輯：王元

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