前言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)代化的持續(xù)高速發(fā)展，使得對(duì)機(jī)械零件的工作要求越來(lái)越高，從而對(duì)材料耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞、抗冷熱沖擊等性能的要求也隨之提高。零部件的損壞一般都是從材料表面、亞表面開(kāi)始或因表面其他因素而引起，然后逐漸導(dǎo)致零件的整體失效。因此，表面的改進(jìn)對(duì)整體零件的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性等起到了決定性的作用。

涂層是材料表面改進(jìn)方法的一種，具有提高材料的耐高溫、耐腐蝕和抗磨損性能的作用。涂層的種類(lèi)很多，但兼有陶瓷和金屬兩方面特點(diǎn)的金屬陶瓷復(fù)合涂層以其具有高強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、更高的使用溫度、良好的熱穩(wěn)定性以及好的抗磨損性等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

金屬陶瓷復(fù)合涂層是由金屬或合金與一種或幾種陶瓷相混合后所組成的復(fù)合材料。采用適當(dāng)?shù)耐扛布夹g(shù)，制備出最佳的涂層材料，從而提高了材料的使用壽命和應(yīng)用性能。陶瓷材料具有抗油、抗有機(jī)溶劑、抗堿或酸、不燃、電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)。而加入金屬粉末不但能提高涂層與基體的粘結(jié)性能，還可機(jī)械聯(lián)鎖與冶金結(jié)合共同作用，提高了強(qiáng)度及硬度，為材料科學(xué)提供了更廣泛的研究和應(yīng)用空間。

1復(fù)合涂層技術(shù)

1.1熱噴涂熱噴涂技術(shù)

是采用某種高溫?zé)嵩矗瑢⒂扛驳耐繉硬牧先刍ɑ蛑辽佘浕⒉捎酶咚偕淞鞣绞绞怪F化成微細(xì)液滴或高溫顆粒，噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的機(jī)體表面形成涂層的技術(shù)。熱噴涂的特點(diǎn)：能夠噴涂的材料范圍特別廣，幾乎所有的固態(tài)工程材料都可以應(yīng)用；能夠在多種基體材料上形成涂層，如金屬、陶瓷、塑料基體、木材甚至紙板都可以；一般情況下不受工件尺寸和施工場(chǎng)所的限制；沉積快，效率高，特別適合沉積厚膜涂層；對(duì)基體材料的熱影響小；調(diào)整涂層成分比較容易等。熱噴涂方法也有一定的缺點(diǎn)，如噴涂作業(yè)環(huán)境差，粉塵污染嚴(yán)重，噴涂材料利用率低，難以制備厚度較大的覆層材料等。

隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在能源、汽車(chē)、鋼鐵、冶金工業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如在三峽鋼鐵結(jié)構(gòu)中采用熱噴涂鋁制造的長(zhǎng)效防腐涂層將達(dá)2000萬(wàn)t鋼材，汽車(chē)制造工業(yè)的很多零部件，以及鋼鐵、冶金工業(yè)中的熱電偶保護(hù)套、軋輥、支撐輥等均可采用熱噴涂工藝制造。

1.2溶膠-凝膠涂層技術(shù)

溶膠-凝膠涂層技術(shù)是利用易水解的金屬醇鹽或楷體無(wú)機(jī)鹽，在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)水解縮聚形成溶膠，將溶膠涂覆在金屬表面，再經(jīng)干燥、熱處理后形成涂層的方法。溶膠-凝膠法的特點(diǎn)：用該方法制備的涂層是一種非常致密牢固的氣密性薄膜，適用于在大面積物體上制作涂層；它與金屬、陶瓷、塑料、木材等基材具有很高的粘著力，而且涂層具有較高的顯微硬度、耐沖擊性、柔韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐蝕性和耐磨性；用該方法在基材上涂覆，可以涂一層或多層，工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，可以采用刷涂、噴涂、浸涂的方式。缺點(diǎn)是：

在干燥過(guò)程中，由于溶劑蒸發(fā)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致薄膜龜裂出現(xiàn)裂縫甚至脫落，薄膜的應(yīng)力影響限制了薄膜的厚度，溶膠的粘度、濃度、溫度和機(jī)體的波動(dòng)等因素均會(huì)影響制備的薄膜質(zhì)量。

THubert等研究了溶膠-凝膠法涂層氧化鋁和合金的耐磨性。通過(guò)試驗(yàn)證明，涂層在與基體結(jié)合時(shí)金屬氧化物之間是以化學(xué)鍵結(jié)合的，結(jié)合力非常強(qiáng)，所以極大地提高了合金的耐磨性。SRaghunathan等用溶膠-凝膠法制備了多種納米基合金粉末，如W-Mo、W-Cu、WC-Co復(fù)合粉末。

1.3自蔓延高溫合成涂層技術(shù)

自蔓延高溫合成涂層技術(shù)（SHS）是利用原料組分發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后沉積在制品基體上形成涂層的技術(shù)。SHS反應(yīng)種類(lèi)有：無(wú)氣相合成反應(yīng)；"放出氣體的燃燒合成"反應(yīng)；滲透合成反應(yīng)；多種單質(zhì)元素組合的固體燃燒合成；以化合物為反應(yīng)物的金屬熱還原合成等。該技術(shù)是一種先進(jìn)的材料合成技術(shù)，它在難熔材料合成及非平衡和非化學(xué)計(jì)量化材料的合成等方面具有很多常規(guī)方法難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。例如，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速；節(jié)約能源，因?yàn)樵摲磻?yīng)是自熱過(guò)程，一經(jīng)引發(fā)不需補(bǔ)充能量；合成反應(yīng)溫度一般很高，可以使大多數(shù)雜質(zhì)揮發(fā)而得到高純產(chǎn)品；特別適合于合成各種復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能梯度材料等。

SHS技術(shù)已被廣泛使用在陶瓷材料、金屬間化合物、電子材料和復(fù)合材料等的合成與制備中。

1.4高溫熔燒法

高溫熔燒法制備涂層是將涂層原料按一定比例混合起來(lái)，涂覆于處理好的金屬表面，經(jīng)過(guò)高溫熔燒以獲得所需性能涂層的一種表面技術(shù)。用高溫熔燒法制備的涂層具有很多優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡(jiǎn)便，設(shè)備投資小，不受場(chǎng)地、環(huán)境條件的限制，易于操作，能處理形狀復(fù)雜的構(gòu)件，一般在室溫下操作，不會(huì)使零件產(chǎn)生熱影響和變形，可在金屬表面得到耐磨抗蝕的金屬陶瓷復(fù)合涂層等。這種涂層的連續(xù)密閉性很好，其防銹耐蝕性?xún)?yōu)于電鍍層和熱噴涂涂層，涂層的厚度范圍很寬，能得到0。05~16㎜的不同厚度。薄涂層用作防腐蝕和抗氧化；厚涂層一般用作耐磨和修補(bǔ)工作表面缺陷。高溫熔燒涂層的成分可根據(jù)需要調(diào)整，涂層硬度可在一定范圍內(nèi)變化，其硬度上限在HRC70以上，這是其它涂層工藝難以達(dá)到的，且涂層硬度分布均勻。

1.5激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)也是一種表面改性技術(shù)。它是通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面的薄層同時(shí)熔化，并快速凝固的方法，與基材表面形成冶金結(jié)合的添料熔覆層。熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。

相對(duì)其它表面處理技術(shù)，激光熔覆技術(shù)具有組織致密、稀釋度小、涂層與基體結(jié)合性能好、粒度及含量變化大、適合熔覆材料多等特點(diǎn)，而且已經(jīng)在耐磨、抗蝕、熱障等涂層性能方面顯示出了良好的應(yīng)用前景。

激光熔覆技術(shù)可以改善工模具鋼的表面硬度、紅硬性、耐磨性、高溫硬度、抗熱疲勞等性能，從而提高了工模具的使用壽命。如在軋鋼導(dǎo)向板上激光熔覆高溫耐磨涂層，可使其使用壽命較普通碳鋼導(dǎo)向板提高4倍以上。

2合金粉末

2.1鎳基自熔合金粉末

最早的自熔合金以鎳基合金為基礎(chǔ)。鎳的熔點(diǎn)為1453℃，加入適量硼、硅和其它元素后，合金具有溫度在1000℃左右的固液相狀態(tài)，而且可在HRC25~HRC65調(diào)節(jié)硬度，并具有耐磨、耐蝕和抗氧化性能，即使在600℃的高溫狀態(tài)下，化學(xué)性質(zhì)也相當(dāng)穩(wěn)定。鎳基自熔合金粉末可分為鎳硼硅合金粉末和鎳鉻硼硅合金粉末兩個(gè)類(lèi)別。

2.2鈷基自熔性合金粉末

在鈷鉻鎢合金中加入硼、硅元素就可形成鈷基自熔合金。由于鈷基自熔合金中含有高硬度碳化物和硼化物，比CoCrW合金具有更好的抗氧化能力和耐磨性，其高溫硬度優(yōu)于鎳基自熔性合金。但鈷是稀有楷體金屬，所以鈷基自熔合金粉末系列的發(fā)展受到了限制，鈷基自熔性合金粉末一般用于較重要的耐高溫磨蝕零件的強(qiáng)化和修復(fù)。

2.3鐵基自熔合金粉末

鐵基自熔合金粉末是在鐵內(nèi)加入適量的硼、硅等元素，通常情況下其熔點(diǎn)高于鎳基、鈷基，自熔性不如鎳基、鈷基自熔性合金粉末。但它的成本比較低，所以應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。鐵基自熔性合金粉末適用于鐵路鋼軌的修補(bǔ)，以及石油鉆探、農(nóng)機(jī)部件、建筑和礦山機(jī)械等磨損零件的強(qiáng)化和修復(fù)。

2.4銅基自熔合金

銅基自熔合金一般是在含有錫、錳、鎳的銅基合金中加入硼、硅元素形成的，合金粉末呈球形。除此之外，含有一定量磷的銅基合金也具有很好的自熔性。

相對(duì)于鎳基、鈷基、鐵基自熔合金，銅基自熔合金的應(yīng)用場(chǎng)合較少。

2.5含碳化鎢彌散型自熔合金粉末

含碳化鎢彌散型自熔合金粉末是一種超硬性自熔合金。在高硬度鎳基、鈷基自熔合金中加入25%~35%的碳化鎢顆粒，便形成含碳化鎢彌散型自熔合金。

其組織結(jié)構(gòu)是在自熔合金基體上均勻分布著碳化鎢顆粒。由于超硬度碳化鎢顆粒彌散分布在高硬度自熔合金基體中，很好地提高了合金的耐磨性、紅硬性和抗氧化性，因此含碳化鎢彌散型自熔合金粉末特別適用于抗高應(yīng)力磨粒磨損工件的強(qiáng)化和修復(fù)。

3陶瓷粉末

3.1氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是一種氧化物陶瓷材料，具有以下性質(zhì)：熔點(diǎn)高（熔點(diǎn)2050℃），抗腐蝕性好（能很好的抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金屬的侵蝕），對(duì)NaOH、玻璃、爐渣的侵蝕也有很高的抵抗能力；機(jī)械強(qiáng)度高（氧化鋁陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度可達(dá)250MPa，熱壓產(chǎn)品可達(dá)500MPa）；硬度高（莫氏硬度為9）；電阻率高，電絕緣性能好；化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，許多復(fù)合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸不與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。利用陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度，可制成裝置瓷和其他機(jī)械構(gòu)件。

3.2氧化鋯陶瓷

氧化鋯陶瓷是新近發(fā)展起來(lái)的僅次于氧化鋁陶瓷的一種很重要的結(jié)構(gòu)陶瓷。其具有以下優(yōu)良性能：硬度高，莫氏硬度為6。5，因此可制成冷成形工具、整形模、拉絲模、切削工具等；強(qiáng)度高，韌性好，常溫抗彎強(qiáng)度可達(dá)2100MPa，1000℃時(shí)為1190MPa；抗腐蝕性好，ZrO2在氧化氣氛中十分穩(wěn)定，在還原性氣氛中也相當(dāng)穩(wěn)定；半導(dǎo)體性好，氧化鋯在高溫具有半導(dǎo)體性，純氧化鋯是良好的絕緣體，氧化鋯發(fā)熱元件可在空氣中使用，最高溫度達(dá)2100~2200℃；敏感特性強(qiáng)，穩(wěn)定化之后有氧空位。

3.3碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷作為一種優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，被認(rèn)為是具有廣泛應(yīng)用前景的高溫耐磨結(jié)構(gòu)材料，是碳化物中抗氧化性最好的。它可以被熔融的堿分解，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱震性。如可用作高溫軸承、刀削工具、機(jī)械密封件和先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等，這些都與高溫環(huán)境有關(guān)。

3.4納米陶瓷

納米陶瓷又稱(chēng)納米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)晶或納米復(fù)合材料，是指在納米長(zhǎng)度范圍（1~100nm）內(nèi)的微粒或結(jié)構(gòu)、結(jié)晶或納米復(fù)合的材料。它具有既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的諸多特性。納米陶瓷材料呈現(xiàn)出如下的宏觀物理性能：高強(qiáng)度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點(diǎn)，同時(shí)具有導(dǎo)電率和磁化率變化大等特點(diǎn)。

4結(jié)論及展望

金屬陶瓷復(fù)合涂層制備技術(shù)作為一種重要的表面改進(jìn)技術(shù)，成功地將金屬與陶瓷材料的優(yōu)異性能結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)能夠制備出各種特殊功能要求的涂層，受到越來(lái)越多的材料研究者的重視。

關(guān)于金屬陶瓷復(fù)合涂層的研究，今后的發(fā)展主要在以下幾個(gè)方面：發(fā)展新的涂層，制備出性能更優(yōu)異的配方；解決這種復(fù)合涂層與金屬基體熱膨脹系數(shù)匹配問(wèn)題，從而提高結(jié)合力；發(fā)展更加簡(jiǎn)便的、成本低的、生產(chǎn)效率高的涂層制備技術(shù)；為了保證涂層的可靠性，除了從工藝上要保證涂層的均一性以及完整性外，還應(yīng)對(duì)金屬陶瓷復(fù)合涂層的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，從而使涂層這種表面工程技術(shù)發(fā)展得更廣闊更長(zhǎng)遠(yuǎn)。