前言

隨著我國科學技術和工業(yè)現(xiàn)代化的持續(xù)高速發(fā)展，使得對機械零件的工作要求越來越高，從而對材料耐高溫、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、亞表面開始或因表面其他因素而引起，然后逐漸導致零件的整體失效。因此，表面的改進對整體零件的強度、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。涂層的種類很多，但兼有陶瓷和金屬兩方面特點的金屬陶瓷復合涂層以其具有高強度、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，顯示出了廣闊的應用前景。

金屬陶瓷復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合材料。采用適當?shù)耐扛布夹g，制備出最佳的涂層材料，從而提高了材料的使用壽命和應用性能。陶瓷材料具有抗油、抗有機溶劑、抗堿或酸、不燃、電絕緣性好等優(yōu)點。而加入金屬粉末不但能提高涂層與基體的粘結(jié)性能，還可機械聯(lián)鎖與冶金結(jié)合共同作用，提高了強度及硬度，為材料科學提供了更廣泛的研究和應用空間。

1復合涂層技術

1.1熱噴涂熱噴涂技術

是采用某種高溫熱源，將欲涂覆的涂層材料熔化（或至少軟化），并采用高速射流方式使之霧化成微細液滴或高溫顆粒，噴射到經(jīng)過預處理的機體表面形成涂層的技術。熱噴涂的特點：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所的限制；沉積快，效率高，特別適合沉積厚膜涂層；對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，如噴涂作業(yè)環(huán)境差，粉塵污染嚴重，噴涂材料利用率低，難以制備厚度較大的覆層材料等。

隨著熱噴涂技術的發(fā)展，該技術已經(jīng)在能源、汽車、鋼鐵、冶金工業(yè)等方面得到了廣泛的應用。如在三峽鋼鐵結(jié)構(gòu)中采用熱噴涂鋁制造的長效防腐涂層將達2000萬t鋼材，汽車制造工業(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

溶膠-凝膠涂層技術是利用易水解的金屬醇鹽或楷體無機鹽，在某種溶劑中與水發(fā)生反應，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：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，工藝和設備簡單，可以采用刷涂、噴涂、浸涂的方式。缺點是：

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

THubert等研究了溶膠-凝膠法涂層氧化鋁和合金的耐磨性。通過試驗證明，涂層在與基體結(jié)合時金屬氧化物之間是以化學鍵結(jié)合的，結(jié)合力非常強，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復合粉末。

1.3自蔓延高溫合成涂層技術

自蔓延高溫合成涂層技術（SHS）是利用原料組分發(fā)生放熱化學反應，反應后沉積在制品基體上形成涂層的技術。SHS反應種類有：無氣相合成反應；"放出氣體的燃燒合成"反應；滲透合成反應；多種單質(zhì)元素組合的固體燃燒合成；以化合物為反應物的金屬熱還原合成等。該技術是一種先進的材料合成技術，它在難熔材料合成及非平衡和非化學計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。例如，生產(chǎn)工藝簡單，反應迅速；節(jié)約能源，因為該反應是自熱過程，一經(jīng)引發(fā)不需補充能量；合成反應溫度一般很高，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合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能梯度材料等。

SHS技術已被廣泛使用在陶瓷材料、金屬間化合物、電子材料和復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，涂覆于處理好的金屬表面，經(jīng)過高溫熔燒以獲得所需性能涂層的一種表面技術。用高溫熔燒法制備的涂層具有很多優(yōu)點：制備工藝簡便，設備投資小，不受場地、環(huán)境條件的限制，易于操作，能處理形狀復雜的構(gòu)件，一般在室溫下操作，不會使零件產(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合涂層等。這種涂層的連續(xù)密閉性很好，其防銹耐蝕性優(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到的，且涂層硬度分布均勻。

1.5激光熔覆技術

激光熔覆技術也是一種表面改性技術。它是通過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。

相對其它表面處理技術，激光熔覆技術具有組織致密、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，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用前景。

激光熔覆技術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。鎳的熔點為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，化學性質(zhì)也相當穩(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類別。

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化和修復。

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，所以應用也相當廣泛。鐵基自熔性合金粉末適用于鐵路鋼軌的修補，以及石油鉆探、農(nóng)機部件、建筑和礦山機械等磨損零件的強化和修復。

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。

相對于鎳基、鈷基、鐵基自熔合金，銅基自熔合金的應用場合較少。

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力磨粒磨損工件的強化和修復。

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)：熔點高（熔點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NaOH、玻璃、爐渣的侵蝕也有很高的抵抗能力；機械強度高（氧化鋁陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強度可達250MPa，熱壓產(chǎn)品可達500MPa）；硬度高（莫氏硬度為9）；電阻率高，電絕緣性能好；化學穩(wěn)定性優(yōu)良，許多復合的硫化物、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)生化學反應。利用陶瓷的機械強度，可制成裝置瓷和其他機械構(gòu)件。

3.2氧化鋯陶瓷

氧化鋯陶瓷是新近發(fā)展起來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；強度高，韌性好，常溫抗彎強度可達2100MPa，1000℃時為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穩(wěn)定；半導體性好，氧化鋯在高溫具有半導體性，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2100~2200℃；敏感特性強，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，被認為是具有廣泛應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，具有良好的化學穩(wěn)定性、高的機械強度和抗熱震性。如可用作高溫軸承、刀削工具、機械密封件和先進發(fā)動機零部件等，這些都與高溫環(huán)境有關。

3.4納米陶瓷

納米陶瓷又稱納米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)晶或納米復合材料，是指在納米長度范圍（1~100nm）內(nèi)的微粒或結(jié)構(gòu)、結(jié)晶或納米復合的材料。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：高強度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點，同時具有導電率和磁化率變化大等特點。

4結(jié)論及展望

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

關于金屬陶瓷復合涂層的研究，今后的發(fā)展主要在以下幾個方面：發(fā)展新的涂層，制備出性能更優(yōu)異的配方；解決這種復合涂層與金屬基體熱膨脹系數(shù)匹配問題，從而提高結(jié)合力；發(fā)展更加簡便的、成本低的、生產(chǎn)效率高的涂層制備技術；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，還應對金屬陶瓷復合涂層的性能進行準確評價，從而使涂層這種表面工程技術發(fā)展得更廣闊更長遠。