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高性能热喷涂纳米陶瓷材料及涂层技术

磨损、腐蚀、疲劳是机械零部件的三大主要失效形式。节能、节材、环保、高效、长寿是对机械零部件提出的基本要求。据统计,80%的机械零部件因磨损失效。我国每年腐蚀损失约1900亿元。利用表面工程技术解决磨损及腐蚀问题是非常行之有效的,但有些表面工程技术对环境会造成污染,对操作者的身体健康有负面影响。

如传统的电镀硬铬技术所得镀层硬度高、耐磨、耐蚀,并能长期保持表面光亮。然而,电镀铬工艺导致严重的环境问题。目前,各国对镀铬工艺的限制已越来越严。比如,美国已将六价铬的空气排放标准从0.1mg/m3降低到0.0050=0.0005mg/m3。其实,电镀硬铬镀层的硬度和耐磨性远不及一些陶瓷好,其工作温度也只能低于427℃,难适应现代机械高温、高速下的工作要求。再者,镀铬层内易产生穿透性裂纹,可导致基体腐蚀,甚至镀层剥落。

已有一些涂层技术被证明比电镀硬铬更清洁、更有效,诸如物理气相沉积、化学气相沉积、激光涂层技术和热喷涂技术等。其中广泛应用的热喷涂技术具有成本低廉、工艺简单、适于规模化应用的优势、最被看好作为电镀硬铬的替代技术。

在环保方面,陶瓷首当其冲、功不可没。随着纳米科技的飞速发展,世界发达国家都把纳米陶瓷材料列为21世纪新材料,投巨资研发高强韧性、高耐磨抗蚀性、高耐温性能的纳米陶瓷新材料。鉴于目前具有微米或亚微米级晶粒尺寸的传统工业材料几乎已达到了产品性能的极限,而具有纳米数量级晶粒尺寸的纳米材料则能赋予产品以奇特而有用的性能。因此,纳米材料为在高技术和国民经济支柱产业上的应用提供了非常广阔的发展前景。因为纳米陶瓷材料具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等,有着常规尺度陶瓷材料所不具有的特殊光、电、热、磁、力学等特性,可应用于光催化材料、光电转换材料、结构功能材料、涂层材料,以及作为环保材料等。

热喷涂技术是表面工程领域中应用十分广泛的技术。如今,纳米热喷涂技术已成为热喷涂技术新的发展方向。但由于普通纳米粉尺寸小、质量轻,易被气流吹散或被高温火焰烧蚀掉,故不能直接用于热喷涂。几年前研究出的纳米粉末的再造粒方法,使具有纳米结构的粉末材料能够用于传统的热喷涂喷枪上,从而使制备出纳米结构热喷涂涂层成为可能。

然而,目前的陶瓷材料普遍存在着脆性大和热震抗力低这两大缺点,限制了陶瓷材料的使用范围。而作为涂层材料使用,还要考虑到陶瓷涂层与基体材料间的结合强度以及涂层本身的致密性。

上世纪末,美国英佛曼公司采用王铀发明的纳米合金化技术制造出了具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能的纳米陶瓷涂层。如所开发出的纳米结构氧化铝/氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能。这一在世界上首获实际应用的热喷涂纳米结构涂层技术被美国海军称之为一项革命性的先进技术,并已被广泛应用于军舰,潜艇,扫雷艇和航空母舰设备上的数百种零部件上。2001年,该技术获得被美国媒体誉为应用发明诺贝尔奖的世界研究开发百项奖和美国国防部军民两用先进技术奖。作为一种绿色环保技术,这种纳米陶瓷涂层是不仅可以替代有污染的电镀铬方法,而且可以大幅度提高材料的表面性能,大幅度提高机械装备的寿命,大大地降低了能耗,因而用途广泛。

现在,该技术发明人王铀已将先进纳米陶瓷涂层技术带回移植国内并进一步创新。2006年11月30日,中国船舶重工集团公司规划发展部在西安主持召开了“高性能精细纳米陶瓷喷涂材料研究”项目验收暨技术鉴定会,陕西省发改委和科技厅有关领导出席了会议。以著名科学家张立同院士为主任委员的项目验收暨鉴定委员会听取了项目组的研制工作汇报,审阅了全部技术文件,评审认为该项目技术先进,取得了多项创新成果,成功解决了陶瓷涂层韧性低和抗热震能力差的两大难题,与处于世界领先水平的美国海军在用的热喷涂纳米结构陶瓷粉体材料相比,主要性能达到了同等水平。如所开发出的纳米结构氧化铝/氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130涂层有着高出3-10倍的耐磨性,高出1倍的抗蚀性,高出1倍左右的断裂韧性,高出1-2倍的结合强度和抗热震性能,高出5-10倍的疲劳抗力。

这种纳米结构热喷涂陶瓷涂层用途广泛,可以应用的零部件包括(但不局限于):潜水艇和舰船零部件、汽车和火车零部件、航空器零部件、金属轧辊、印刷卷辊、造纸用干燥轧辊、纺织机器零件、液压活塞、水泵、内燃机和汽轮机零部件,阀杆、阀门、活塞环、汽缸体、销子、传动轴、支承轴、支撑板、挺杆、工具模具、轴瓦、重载后轴柄、凸轮、凸杆,密封件等。 

 


 

 负责人:王铀教授   E-MAIL:wangyou1954@126.com 

        王铀,男,汉族,1954年生。现任哈尔滨工业大学材料科学系教授、博士生导师。

王铀教授是280余篇论文的作者,二十余项美国、中国或国际专利的发明人,数十篇文章为SCI收录并为同行在国际杂志引用约2600余次。上世纪末因在摩擦学和表面工程方面的杰出贡献被英国剑桥国际传记中心选入《二十世纪2000杰出科学家》。

         专家云平台主页:http://www.kjcx.ac.cn/people/show.php?itemid=3289 

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