涂层制备
要得到质量优良的涂层，其制备过程并不仅限于喷涂工艺参数的优化与控制，还涉及到工况条件分析、基体材料选择、基体预处理、粘结材料选择、喷涂材料选择、喷涂设备选择、涂层性能检测及现场考核等环节，其中，每一个环节都会对涂层质量产生重要影响。如前文所述，热喷涂技术包含多种喷涂工艺和众多的喷涂材料，在多种领域均可获得应用，但每一种喷涂材料、每一种喷涂工艺都有其自身的特点与局限性，本文不可能覆盖热喷涂涂层制备的所有领域，下面仅就已在工业领域获得广泛应用的耐蚀涂层、耐磨涂层、可磨耗涂层、热障功能涂层以及当前热喷涂涂层的研究热点梯度功能涂层和纳米涂层的制备技术进行简要介绍。
一、耐蚀涂层
热喷涂涂层技术可以作为在腐蚀环境下工作的机器零部件的防护技术，但由于零部件所处的腐蚀环境千变万化，包括干燥大气、海洋大气、城市大气、工业大气、土壤环境、淡水环境、海水环境、腐蚀性气体、腐蚀性液体等，在不同的腐蚀环境中需要选择最合适的热喷涂工艺和涂层材料来满足其防护要求。其中，采用电弧喷涂技术制备Al、Zn及其合金防腐涂层的应用最为广泛，特别是防止铁和钢在空气、淡水或盐水中的腐蚀非常有效，已在钢架结构、桥梁、输电塔、海洋工程、煤矿井筒、罐体内壁、船体、热电厂锅炉“四管”等方面获得成功应用。目前，电弧喷涂技术是国内发展最快、普及程度最高的热喷涂技术之一。
1．电弧喷涂Al及其合金的参数设置

采用美国Praxair公司生产的BP400型电弧喷涂设备喷涂Al及其合金的基本参数设置如表所示。

BP400电弧喷涂Al及其合金的参数设置

2．电弧喷涂Zn及其合金的参数设置
采用美国Praxair公司生产的BP400型电弧喷涂设备喷涂Zn及其合金的基本参数设置如表所示。
BP400电弧喷涂Zn及其合金的参数设置

喷涂Zn涂层具有耐酸性较弱，适用于pH为6-12范围内的环境，如果工件处于酸性条件，选择铝涂层耐蚀性能更好。
在喷涂Zn涂层时，需要注意的是，锌烟雾是有毒的，一定要保证有良好的通风条件，同时要特别注意呼吸系统的防护。
3．耐蚀涂层封孔处理
由于热喷涂涂层总具有一定的孔隙，孔隙率形态、大小及其分布状况随热喷涂工艺及喷涂材料的不同而存在差别，其分布可从小于1%到大于15%不等，这些孔隙可能互相联接，且从涂层表面到基体均具有孔隙特性，但是，当涂层厚度满足一定要求时，孔隙不会贯穿整个涂层而侵蚀到基体。为了防止或阻止在涂层/基体界面处发生的腐蚀，并延长涂层的使用寿命，常对耐蚀涂层进行封孔处理，以填充这种孔隙。
作为耐蚀涂层封孔处理的材料，应具有以下特性：
（1）足够的渗透性；
（2）耐化学或溶剂作用；
（3）一定的机械性能；
（4）一定的耐温性；
（5）不影响涂层或基体的性能；
（6）使用安全。
实际操作时，在热喷涂之后，涂层应首先采用蚀洗涂料（通常用磷酸）进行封孔前预处理，在表面形成一层复合磷酸盐薄膜，该薄膜有助于封孔剂的粘结。
试验结果表明，在钢铁基体上采用低粘性封孔剂进行封孔处理，可以提高铝、锌涂层的防腐蚀性能。这些封孔剂包括：乙烯树脂、硅酮树脂、酚醛、改进型环氧酚醛和聚胺酯等。
针对不同的环境使用温度，应选择不同的封孔剂，其中，乙烯树脂的最高使用温度为65℃；酚醛树脂的使用温度为150-260℃；用铝做颜料的硅酮树脂封孔剂的使用温度可达480℃，主要用于排气管、消声器等零件的封孔处理；含有铝的煤焦油封孔剂的使用温度可高达870-980℃，主要用于在该温度下工作的铝和镍铬类涂层的封孔处理。
石蜡作为封孔剂使用时，不仅能耐海水、淡水及大多数的酸和碱，而且常常用作食品和化学工业机械零件表面涂层的封孔与润滑，以解决存在的污染问题。常用的封孔剂如表所示。
常用封孔剂

为了保证良好的渗透性，在进行封孔处理前，应对封孔剂进行稀释处理，并采用真空浸渗封孔方法，该法可利用真空环境，将涂层孔隙中的空气抽出，并利用毛细作用将封孔剂引进抽空的涂层孔隙中，从而增强涂层的耐蚀效果。
4．耐蚀涂层的选择
采用电弧喷涂Al、Zn涂层进行防腐处理时，比较简单扼要的涂层选择方案可参见表所示。在表涂层选择一栏中，Al、Zn前面的数字代表该涂层的厚度，单位为密耳，如数字3代表该涂层厚度为3密耳，即0.003英吋（75μm）；Al、Zn后面的字母代表该涂层所需要的封孔处理方法。

防腐涂层简明选择表

根据不同环境的特性，又可将各种环境细分为如表所示的10种环境。根据工作环境状况及所期望的第一次维护涂层时所需的寿命要求，就可根据表4-17来确定耐蚀涂层选择方案。其中，在表4-17涂层选择一栏中，Al、Zn前面的数字代表该涂层的厚度，单位为密耳，如数字3代表该涂层厚度为3密耳，即0.003英吋（75μm）；Al、Zn后面的字母代表该涂层所需要的封孔处理方法。
根据下表，就可确定相关零件在各类环境条件下的防腐涂层体系。例如，在海湾工作的钢制信号浮标，不采用长效防腐处理时，经常需要清洗和重先涂漆，工作量很大，希望寻找一种长效防腐方法来达到维护次数尽可能少、使用寿命尽可能长的目的。在该条件下，涂层体系选择过程如下：首先，由于钢制浮标的工作环境是长期浸泡在海水中，其相对应的工作环境为9号环境；其次，环境9所对应的第一次维护寿命超过20年的涂层方案是6Alvc；第三，可将涂层方案确定为：喷涂6密耳（即0.006英吋，150μm）厚的Al涂层，并在喷涂后采用乙烯树脂聚合物进行封孔处理，即可达到预期目的。
腐蚀环境分类表

耐蚀涂层与环境及使用寿命关系表
??? * 对环境5来讲，所推荐的涂层方案及其寿命与其相对应的完全暴露环境一致，在空气“死角”处，涂层厚度可增加25%，但不推荐涂层与油漆组合在一起的防腐方案；
** 只有在浸泡环境中需要最好的防腐效果且6Alvc或6Znvc涂层均不能满足要求时才采用，使用时必须能够接受煤焦油表面。
二、 耐磨涂层
摩擦磨损是自然界的一种普遍现象。摩擦是两配合表面之间由于微区接触而产生的原子或分子间的相互作用所引起的阻碍其相对运动的现象；而磨损是指两配合表面的物质由于相对运动而不断损失的现象。只要存在物体表面间的相对运动就必然会出现摩擦，有摩擦就必然伴随着磨损，可产生磨损的工作条件包括滑动、微振、冲击、擦伤、侵蚀等。但由于磨损原因的复杂性和磨损类型的不确定性，在进行耐磨涂层选择时，必须分析清楚零部件的工作环境。采用热喷涂技术可以增大软基体或已经发生磨损的基体的耐磨损性能。
一般来说，与同类材料的铸造或锻造结构相比，热喷涂涂层结构具有更高的耐磨性能。这是由于在热喷涂过程中粒子经受高速淬火以后，形成了具有一定孔隙的特殊结构，在金属涂层中，变形粒子周围还会形成少量氧化物。涂层所具有的微观孔隙结构不仅有利于零件表面润滑膜的保持，而且能够容纳磨损产生的碎屑，对提高零件表面的耐磨性能有利。
根据摩擦表面的磨损过程及其破坏机理，可将磨损分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损，高温磨损实质上是粘着磨损和磨料磨损的综合。各类磨损的特点及其对涂层材料的性能要求见表所示。
磨损种类、特点及其对涂层性能的要求

1．耐磨涂层性能要求
对耐磨涂层的要求取决于耐磨涂层与基体材料的力学匹配性、化学匹配性、施加载荷的方向和大小以及涂层本身的性能。根据耐磨涂层的应用不同，涂层硬度、化学稳定性、涂层屈服强度、抗裂纹生核与长大的能力等因素都影响涂层的耐磨性能。
（1）涂层结合强度要求。对耐磨涂层的首要要求就是确保涂层与基体有足够的结合强度，为此，基体材料与涂层材料的选择与设计应以确保涂层牢固结合为前提。
1）基体应无变形。当耐磨涂层用于高负荷工况时，基体应有足够的硬度和屈服强度，以支承涂层不发生变形。
2）涂层与基体材料的弹性模量匹配性? 在弹性应变情况下，如果涂层与基体的弹性模量不匹配，在负载时就会在涂层与基体的界面处产生陡变式的应力。若涂层的刚性大于基体，涂层中的应力就会增大。随着载荷和涂层与基体的弹性模量差别增大，应力增大。
表列出了高速钢与碳化物的弹性模量。
高速钢与碳化物的弹性模量

3）涂层与基体材料的刚性匹配。要使硬质耐磨涂层具有较长的使用寿命，涂层与基体材料的刚性应有合理的匹配。如果在刚性小的基体材料上沉积刚性高的涂层。由于刚性不匹配，就会使涂层中的拉应力增大，导致在涂层中形成裂纹并波及到基体，从而引起涂层发生早期破坏。
4）热膨胀系数的匹配性。如果涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配，就会因体积变化而产生应力。通常，涂层与基体相比是很薄的，因此，基体的热膨胀基本上不受涂层热膨胀的影响，而涂层的热膨胀则强烈的受到基体热膨胀的影响。涂层与基体由于热膨胀不匹配而产生的热应力基本上都集中在涂层中。热膨胀系数差别越大，涂层中的应力就会越大，产生裂纹甚至剥落的倾向性就越大。这就是许多耐磨涂层尚未遭受严重磨损就发生过早剥落失效的主要原因之一。
表列出了一些碳化物、氮化物涂层材料与钢的热膨胀系数。
碳化物、氮化物涂层材料与钢的热膨胀系数

当基体的热膨胀系数大于涂层的热膨胀系数时，在升高温度时产生的应力为拉应力；反之，若涂层的热膨胀系数大于基体时，则为压应力。由表可以看出，大多数碳化物、氮化物及金属陶瓷涂层的热膨胀系数均小于钢，只有TiN、NbN和Cr3C2的热膨胀系数比较接近于高速钢的热膨胀系数，但差别仍不小。
5）涂层与基体材料之间的亲和力。涂层与基体之间的亲和力即化学结合能力直接影响涂层与基体之间的结合强度。通常，一种化合物在另一种化合物中的固溶度低时，它们之间的结合强度也弱。只有当涂层与基体之间具有最大的化学亲和力而又不会产生脆性界面相时，涂层与基体的结合强度才最大，才能充分发挥耐磨涂层的作用。
（2) 涂层耐磨性要求。在前述必须确保涂层与基体有足够牢固的结合条件下，才能进一步提出对涂层耐磨性的要求，这主要包括如下一些内容。
1）涂层硬度。提高涂层硬度，有利于增大涂层的屈服强度，防止发生变形；涂层硬度增高，抗磨料磨损性能增强，涂层的磨料磨损速率与涂层硬度成反比。若涂层硬度超过磨料颗粒的硬度，磨料磨损速率急剧下降。因此，在磨料磨损的工况下，涂层硬度应尽可能的高。而在滑动磨损情况下，应考虑使用韧性强的具有单相结构的软涂层，但不能有第二相硬质颗粒存在，否则将引起严重的磨料磨损。
2）耐高温磨损性能。当硬质涂层用作耐高温磨损涂层时，不仅要求具有良好的高温红硬性，即具有高的高温硬度，而且涂层与对偶摩擦材料之间的化学溶解度要小。
3）耐腐蚀磨损性能。耐磨涂层在腐蚀性介质中的耐磨性能还取决于涂层在化学介质中的耐蚀性能。许多硬质涂层都具有优异的耐蚀性，特别是氧化物和碳化物等陶瓷涂层是很好的耐腐蚀磨损涂层材料。
4）涂层颗粒之间的结合强度高。硬质涂层颗粒之间应具有高的结合强度。例如，WC-Co金属陶瓷涂层是很著名的耐磨涂层材料，钴对碳化钨等硬质颗粒的润湿性极好，因而使碳化钨颗粒能牢固的粘结在一起，不会发生剥落，在这种前提条件下，才能充分发挥碳化钨硬质相的高耐磨特性。
显然，耐磨涂层的成功应用既取决于涂层本身的耐摩擦磨损特性，还取决于涂层与基体之间性能的合理匹配。
2．耐磨涂层喷涂材料选择
在某些情况下，要求涂层既具有良好的耐磨损性能也要具有非常优良的耐腐蚀特性，例如，在石油、化工、海洋性气氛等环境介质中工作的零部件，如果将涂层耐磨损性能及耐腐蚀性能分为十个等级进行定性评价的话，其结果如表所示。其中，1级表示该涂层的耐磨损性能或耐腐蚀性能最差，10级表示该涂层的耐磨损性能或耐腐蚀性能优秀。
? 耐磨涂层喷涂材料选择表

依据耐磨涂层使用环境的差异，应选择不同的喷涂材料及喷涂工艺，例如：
（1）软支承用涂层。这类涂层允许磨粒嵌入，也允许变形以调整轴承表面。喷涂材料多为有色金属，如铝青铜、磷青铜、巴氏合金和锡涂层等。具体应用零件如：巴氏合金轴承、水压机轴套、止推轴承瓦、压缩机十字滑块等。
（2）硬支承用涂层。硬支承表面通常在高载荷和低速度工况条件下工作，该类支承一般用于可嵌入性和自动调整性不重要的部位，以及润滑受限的部位。喷涂材料可选用镍基、铁基自熔合金、氧化物和碳化物陶瓷（如Al2O3-TiO2，Co-WC等）、难熔金属Mo以及Mo加自熔合金等。具体应用零件如：冲床减震器曲轴、防擦伤轴套、方向舵轴承、涡轮轴、主动齿轮轴颈和活塞环燃料泵转子等。
（3）耐磨粒磨损涂层。当使用温度低于540℃时，涂层要能经受外来磨料颗粒的切削和犁沟作用，涂层硬度应超过磨粒硬度；涂层材料可选用自熔合金加Mo或Ni/Al混合粉、高铬不锈钢、Ni/Al丝、T8钢以及自熔合金加Co/WC混合粉。具体应用零件如：泥浆泵活塞杆、抛光杆衬套、混凝土搅拌机的螺旋输送器、烟草磨碎锤、芯轴、磨光抛光夹具等。
当耐磨粒磨损涂层的使用温度在538-843℃之间时，涂层要求在高温下有超过磨粒的硬度，还必须要有良好的抗氧化性，可采用铁基、镍基、钴基喷涂材料(如钴基Cr，Ni，W合金粉，Ni/Al丝，奥氏体低碳不锈钢，镍、钴自熔合金等)以及Cr3C2金属陶瓷粉；在受冲击或振动负荷时，若温度低于760℃，自熔合金最好；而当侵蚀严重时，最好采用Cr3C2；如主要用于抗氧化，则可采用铁、镍、钴基涂层。
（4）耐硬面磨损涂层。当使用温度小于538℃时，磨损是由于硬面在较软表面上滑动时，硬的凸出部分使软表面开槽而导致刮出碎屑，此碎屑具有同磨粒一样的作用，这种情况下要求涂层要比配对表面硬，可采用某些铁基、镍基、钻基喷涂材料、自熔合金、有色金属(例如加铁铝青铜)、氧化物陶瓷、碳化钨及某些难熔金属涂层材料。具体应用零件如拉丝绞盘、制动器套筒、拨叉、塞规、轧管定径穿孔器、挤压膜、导向杆、浆刀、滚筒、刀片轧碎机、纤维导向装置、成型工具和泵密封圈等。
当耐硬面磨损涂层的使用温度在540-815℃时，虽基本情况与以上相同，但由于磨损在高温下会加剧进行；所以，须采用钻基自熔合金、Ni/Ai及碳化铬涂层材料。当温度低于760℃且有冲击负荷时，宜选用自熔合金；温度更高时宜选用Cr3C2涂层；以抗氧化为主则选Ni/Al等。具体应用零件如：锻造工具、热破碎辊、热成型模具等。
（5）耐微振磨损涂层。由于磨损通常是由不可预计的微振引起的，所以当使用温度小于540℃时，应选韧性较好的涂层，如自熔合金、氧化物、碳化物金属陶瓷、某些Ni，Fe，Co基喷涂材料和有色金属等。具体应用零件如，伺服马达枢轴、凸轮随动件、摇臂、汽缸衬套、防气圈、导叶、螺旋桨加强杆等。
当耐微振磨损涂层的工作温度在538-843℃时，由于工作温度较高，可采用特定的铁基、镍基、钴基材料及金属碳化铬陶瓷材料。具体应用零件如：喷气式发动机的涡轮机气密圈、气密环、气密垫圈和涡轮叶片等。
（6）耐气蚀涂层。因涂层要承受液体流中的气体冲击，故要求涂层具有良好的韧性、高的耐磨性、耐流体腐蚀、无脆性。可用Ni基自熔合金、含Al9.5%、Fe1%的铜合金、含Ni38%的铜合金、自熔合金加Ni/Al混合粉、316型不锈钢、超细的Al2O3及纯Cr2O3等，且所有的涂层都应该经过密封处理。具体应用零件如：水轮机叶片、耐磨环、喷头和柴油机气缸衬套等。
（7）耐冲蚀磨损涂层。这些涂层要能经受尖锐的、硬颗粒引起的磨损。可采用几种Ni基自熔合金粉、自熔合金加细铜混合粉、高Cr不锈钢粉、超细Al2O3粉、纯Cr2O3粉、Al2O387%+TiO2l3%复合粉和Co/WC复合粉。具体应用零件如：抽风机、水电阀和旋风除尘器等。 3．耐磨涂层喷涂参数设置
采用美国Praxair公司生产的JP5000型超音速火焰喷涂设备喷涂耐磨涂层时，其参数设置如表所示。
JP5000喷涂各种耐磨涂层参数选择表

由于超音速火焰喷涂有其自身的特点，在实际喷涂过程中要注意以下两点：①因为超音速火焰喷涂输入到基体的热量较大，一定要严格控制冷却措施，以免发生基体过热、变形等导致工件报废的现象；②要特别注意不喷涂部位的遮蔽保护，由于在超音速火焰喷涂工艺中，喷涂粒子并未加热至完全熔化状态，粒子具有一定的刚性，且飞行速度较高，远远超过常规等离子喷涂工艺中的粒子飞行速度，采用常用的防粘涂料及防遮蔽胶带方法已不能满足遮蔽要求，而必须采用薄铁皮或薄铜皮捆扎遮蔽法。
4．耐磨涂层后加工
对于耐磨涂层来讲，磨削是唯一切实可行的精加工方法。由于涂层颗粒之间的结合主要依靠机械镶嵌结合，且含有一定的孔隙，从磨削的观点看，热的转移比较缓慢，常规致密材料的磨削加工方法并不适用于涂层材料的磨削加工。如果磨削压力过大或速度过快，可能造成涂层表面颗粒发生转移或被移动，从而导致涂层内部颗粒发生脱落，甚至导致整个涂层从基体剥离。决定磨削加工工艺方法的因素包括：涂层类型、工件形状、要求光洁度和公差等。
一般来讲，喷涂粉末越细、涂层孔隙率越低、涂层越均匀，磨削加工后的光洁度越好。
选择砂轮时应考虑涂层种类、硬度、工件大小与形状、磨削量、表面光洁度要求、磨床类型等因素。一般遵循以下原则：
（1）尽可能选用最锐利的砂轮，这种砂轮切削速度快，不易过热。砂轮锐利程度与砂轮所用磨粒的类型及粒度有关。对于磨削耐磨涂层的砂轮来讲，常用的磨粒是碳化硅和金刚石。这是因为碳化硅磨粒在磨削时发生破裂后会呈现新的锐利的切削刃，而金刚石磨粒具有良好的耐久性，能干净地磨削各种硬质耐磨涂层。当磨粒粒度较小时，不仅具有较小的表面积，而且切削刃较锐利，比粗磨粒更容易陷入涂层内部，从而获得较高的光洁度。一般来讲，用于耐磨涂层粗磨的磨粒粒度在125-150目，用于细磨的粒度在380-400目。
（2）所选砂轮内部结构及其硬度级别要能够提供自由磨削的效果。砂轮内部结构是指砂轮内部各个磨粒之间的间距，具有多孔结构的砂轮，其磨削效果更佳，这是由于颗粒间造成的间隙能够提供更大的存屑空隙造成的。砂轮硬度不同也会影响耐磨涂层磨削效果，较硬砂轮比较软砂轮具有更长的使用寿命。当磨削应力较小、接触面积较大及磨削速度较高时，推荐采用较软的砂轮；当磨削应力较大、光洁度要求较高、接触面积较小及砂轮较窄时，推荐采用较硬砂轮。
(3）选择最适合的砂轮粘结类型。常用砂轮粘结剂有两种，即陶瓷粘结剂和树脂粘结剂。采用陶瓷粘结剂的砂轮能够承受较高的磨削速度和精确的配合公差，且不受水、酸、油及温度变化的影响，但要求磨床转速要小于砂轮的安全操作速度，一般小于33米/秒。而采用树脂粘结剂的砂轮，可用于更高的磨削速度，并产生更高的光洁度。
针对JP5000喷涂的WC类耐磨涂层，推荐磨削工艺如下：
1) 采用精密、高质量的磨削设备；
2) 选用水溶性冷却介质淋洗；
3) 选用树脂粘结金刚石砂轮，当工件外径小于50mm时，选用φ500的砂轮；当工件外径大于50mm时，选用φ762的砂轮；
4) 采用两步法进行磨削，第一步：进行粗磨，其磨削参数为：磨粒粒度125-150目；砂轮转速25-30m/s；工件转速0.3m/s；磨削深度<0.01mm；移动速度0.2-0.3m/min，纵向进磨量0.025-0.05mm；第二步：进行细磨，其磨削参数为：磨粒粒度380-400目；砂轮转速25-30m/s；工件转速0.5m/s；磨削深度<0.005mm；移动速度0.05-0.1m/s，纵向进磨量0.025~0.05mm。
在磨削过程中，砂轮磨削面的状况会发生变化，使用一段时间后，不是发生砂轮面的砂粒被磨损掉，使得磨粒的高度与粘结剂高度相等，就是发生砂轮面被磨削材料所填充，这两种情况都会削弱砂轮的磨损能力，导致摩擦（擦光）多于磨削，此时，应对砂轮进行修整或更换新的砂轮。当采用金刚石工具修整砂轮时，工具经过砂轮表面的横移速度影响砂轮的最终切削作用，快速横移能打开砂轮面，使磨粒重新变锋利，从而提高砂轮磨削能力；与此相反，当横移较慢时，会导致砂轮面封闭，使磨粒钝化并引起砂轮变硬，对热喷涂耐磨涂层，不推荐使用慢速修整法。所以，在使用金刚石砂轮磨削耐磨涂层时，保持砂轮锋利非常重要，有利于获得较高的表面光洁度。
对耐磨涂层的磨削一般推荐采用湿式磨削，如果采用适当的保护措施，也可采用干磨削。但是，湿磨削的优点要远远大于干磨削。湿磨削时，可以使用较硬的砂轮，且不会增加爆皮或热裂的发生率，使表面颗粒的脱出减至最少，并且得到的表面光洁度较好，砂轮不会很快被填塞，需要的修整次数也会少。此外，湿磨削还有助于冲洗掉磨屑残渣。磨削液的过滤和合适的浓度对表面光洁度也有影响。
总之，只要在磨削加工过程中仔细操作，就可以获得具有良好光洁度的耐磨涂层表面。下面是确定耐磨涂层磨削工艺时需要考虑的一些因素。
1）使用较软的、自由磨削的砂轮，可大大减少擦光和磨粒脱出的机会；
2）保持砂轮面清洁、锋利；
3）采用正确的砂轮修整工艺；
4）进行粗磨时尽量选用粗粒度砂轮，进行精磨时要选用细粒度砂轮，如果想用粗砂轮来获得好的表面光洁度，可能导致磨粒脱出、污染或烧焦；
5）使用轻磨削。耐磨涂层通常较薄，过大的磨削压力可能引起涂层表面分层或表面颗粒脱出；
6）进行最后一道磨削工序时应采用无火花磨削，否则会导致砂轮面钝化或釉光；
7）始终保持涂层受压，通过喷涂面向基体下切才能使分层和颗粒脱出限制到最小；
8）磨削工艺优化处理。磨削参数变化对磨削速度和光洁度有较大影响，耐磨涂层表面光洁度在很大程度上取决于所选用的磨削工艺。当给定砂轮存在问题时，应进行砂轮速度、进给速度、工件速度及修整工艺。
三、 可磨耗涂层
为了在高速旋转机械（压气机、燃气轮机等）的叶片与壳体之间形成理想的密封状态，以获得最大的流体动力压差，可采用可磨耗涂层技术来提高整机效率，降低能耗，延长整机使用寿命。在航空发动机制造中，采用可磨耗涂层能成功减小转子与机匣的间隙。针对压气机涡轮与外环之间的间隙控制，其理想结果是：摩擦不会引起涡轮或其它压气机部件的损伤，如轴承或齿轮；摩擦后，可磨耗涂层的表面要极其光滑，并且无涂层材料转移至涡轮，如果残留表面不光滑，将会对气流导向产生负面影响，从而影响机器效率，如果可磨耗材料转移到涡轮上，可能引起不平衡，同样会影响压气机的性能。直至目前，针对喷气发动机气路密封问题，已经发展了一系列的可磨耗涂层材料，采用可磨耗涂层不仅可用于表面空气密封部位来减小间隙，而且可用于迷宫式密封来疏导冷却空气，减少发动机压缩空气损失，并保持转子轴的压力平衡。
除了在早期曾经采用火焰喷涂纯铝涂层来用作可磨耗涂层外，目前所用的可磨耗涂层多数是由两种材料组成的，分别是金属本体和非金属填料，填料的作用是减弱金属本体的整体性，增强涂层的可磨耗性能。可磨耗涂层所用喷涂粉末为两种材料组成的混合粉或团聚粉。
采用等离子喷涂或粉末火焰喷涂技术，在压气机壳体上喷涂质软的可磨耗涂层，在压气机叶片端部喷涂硬质耐磨钴包碳化钨涂层，可在两者之间形成理想的控制密封间隙，是20世纪70年代航空航天部门迅速发展起来的先进制造技术，是现代热喷涂技术的重要应用之一。
1.可磨耗涂层的选择
在实际应用中，选择可磨耗涂层的依据主要有两点，一是环境工作温度；二是涂层硬度要求。常用可磨耗涂层的硬度、最高使用温度及其所用喷涂工艺如表所示。
可磨耗涂层喷涂工艺与性能

2.可磨耗涂层的制备
制备可磨耗涂层的方法主要包括火焰喷涂和等离子喷涂两种，在实际应用中选择何种方法应以粉末供应商推荐的方法或通过试验确定。采用Praxair公司FP-73火焰粉末喷枪喷涂镍包石墨可磨耗涂层参数设置如表所示。
FP-73火焰粉末喷枪喷涂镍包石墨参数设置

可磨耗涂层的性质不仅与粉末成分密切相关，而且随喷涂参数变化较大，喷涂工艺一经确定，就应严格控制，这对保证涂层质量是非常重要的。对可磨耗涂层来讲，硬度是影响涂层性能的重要参数之一，必须严格控制。
用于硬度检测的可磨耗涂层的试样需要特别制备。首先，要求涂层厚度必须满足一定要求，若涂层小于2毫米时，会导致硬度测量值不准确；其次，测量表面必须平整，最好用60#碳化硅干砂纸轻轻研磨，太重的研磨压力会导致硬度测量不准确，测量表面粗糙度要控制在Ra6-9；第三，硬度测量要采用标准的表面硬度计，选择12.7毫米钢球和15公斤载荷，硬度读数为HR15Y。
在针对一种全齿轮传动的压气机涡轮与外环的可磨耗涂层研究中发现，所采用的五种可磨耗涂层均没有出现由于摩擦而使机器负荷过高的现象。但是，采用火焰喷涂的Ni包石墨（85-15）可磨耗涂层会使涡轮叶轮边缘受到损坏，局部区域出现变色现象，涡轮损害严重；采用等离子喷涂的AlSi/40wt%聚脂、AlSi/50wt%聚脂和AlSi-BN/聚脂可磨耗涂层，发生涂层材料转移现象，涂层材料被转移至涡轮叶轮边缘，并形成结疤；而采用等离子喷涂的AlSi-BN可磨耗涂层，当涂层硬度超过60HR15Y时，也会发生可磨耗涂层材料向涡轮叶轮边缘转移的现象，而当硬度低于60HR15Y时，转移现象不会发生，而且摩擦后的外环涂层表面光滑无暇疵，有利于压缩气流的流动导向，也不会影响整机的动平衡，完全能够满足压气机涡轮叶轮与外环之间的间隙控制要求。
在制备可磨耗涂层时要特别注意，在每一次喷涂零件之前，均应进行试喷，并对试片进行硬度检验，若涂层硬度满足要求，则说明涂层的可磨耗性能也能够满足，然后，才能够对零件进行喷涂。若涂层硬度不满足需要，须对喷涂工艺进行适当调整。对火焰喷涂来讲，调整硬度方法之一是在保持气体流速、喷涂距离和移枪速度不变的条件下改变粉末流速，降低粉末流速会增加涂层硬度，反之，会降低涂层硬度，逐次改变粉末流速并检验涂层硬度，直至硬度合格；方法之二是在保持粉末流速、喷涂距离和移枪速度不变时调整氧气和燃烧气体流速，同时降低氧气和燃烧气体的流速会导致涂层硬度降低，反之，会增加涂层硬度，逐次改变并检验涂层硬度，直至硬度合格。
在制备可磨耗涂层时还要注意严格控制基体温度，这对获得正确的涂层硬度非常重要，正式喷涂前应将基体预热至90-120℃，而在喷涂过程中则要控制基体温度不超过180℃，基体过热会导致涂层硬度增加。
此外，在喷涂可磨耗涂层时，最好将喷涂速率控制在每遍0.1毫米左右。
3.可磨耗涂层的加工
对于可磨耗涂层来讲，它是由金属或耐热合金包覆芯核材料形成的复合材料，由于芯核材料属松软、轻质、易碎、易刮削的非金属颗粒，如石墨、硅藻土、膨润土、六方氮化硼、ZrO2等，磨削产生的压力和热量会改变涂层的性质，因此，可磨耗涂层的加工不采用磨削方法，而推荐采用车削方法。在车削加工时，要严格控制加工参数，它与控制喷涂参数一样重要。
在车削可磨耗涂层时，一般采用较小的进刀量、较慢的旋转速度和较慢的走刀速度。例如，采用Metco 6P火焰喷枪喷涂的Metco 310NS铝包石墨可磨耗涂层，推荐采用尖的碳化钨车刀进行干式车削加工，车床线速度控制在2m/s，走刀量控制在0.06mm/pr，进刀量控制在0.25mm/次。车削时要保证不会刮出涂层中的颗粒，并且，在使用前必须对车削加工表面进行彻底清理。
四、 热障涂层
1.热障涂层简介
热障涂层又称隔热或绝热涂层（Thermal Barrier Coatings，英文简称TBC或TBCs），是指可以为零件提供有效隔热、抗氧化和耐腐蚀作用，在高温燃气和零件基体金属之间产生很大的温降，从而达到延长热机零件寿命、降低冷却要求以及提高热机热效率的涂层系统。基本思路是在金属基体表面喷涂一种热导率或热扩散率非常低的涂层，要求该涂层在高温热流环境中工作时能够承受很大的温度梯度。
TBC的研究始于20世纪40年代，60年代后期开始用于JT8D发动机燃烧室，后来又用于JT9D发动机，在JT9D发动机的导向叶片和一、二级涡轮叶片的地面耐久性试验表明：具有TBC的一级叶片历经2778次循环仍处于良好状态，而无TBC的叶片，经过1500次循环后，叶片缘板就产生了明显破坏。美国ＧＥ公司采用改进的等离子喷涂TBC，已使燃烧室的总寿命超过30000ｈ。
TBC通常由金属粘结底层和陶瓷面层组成，金属粘结底层的主要作用是将陶瓷面层牢固地粘结在基体金属上，陶瓷面层则主要起隔热和抗腐蚀作用，要求具有低的蒸气压、低热导率、低的热辐射率和高的热发射率以及良好的耐热疲劳能力或抗热冲击能力。
计算结果表明，采用0。25mm厚的氧化锆热障涂层，就可以使基体金属温度降低170℃左右，该值比在1965-1985年之间的20年中由于人类的不断努力而使叶型合金承温能力所得到的累积增量还要大。
TBC的应用已经取得了非常显著的效果，不仅降低了制造成本和比油耗，减少了对冷却空气量的要求，还提高了叶片工作的持久性。据报道，在航空燃气涡轮发动机的一级涡轮叶片上喷涂一层厚度为0.25mm的陶瓷热障涂层，就可使冷却空气量减少6%，比油耗改善13%，叶片寿命提高4倍。因此，TBC技术已广泛应用于多个工业领域以提高热效率，如各种燃气轮机和内燃机，在美国，许多航空发动机和几乎所有的陆用和船用燃气轮机的热端部件（包括火焰筒、旋流器、加力燃烧室、鱼鳞板、燃料喷嘴、排气管、点火板、燃烧室管路、火焰稳定器、涡轮叶片等）也都采用了TBC技术，每年约有几百吨的氧化锆材料用在TBC上，并
且其应用范围不断扩大。据美国Gorham先进材料研究所的研究表明，未来TBC在柴油机中的应用比例将会超过飞机工业。此外，TBC在汽车、摩托车上的应用也在不断扩大。而在瑞典，仅沃尔沃航空公司的一个分厂1997年就消耗了近10吨氧化锆，与1995年相比，其消耗量翻了一番。
随着科学技术的进步，航天、航空、燃气发电、化工和冶金等众多领域促进了热障涂层的研究与发展。现今TBCｓ的应用是非常广泛的。高炉的送风口和出渣口要在1100-1450℃下经受高速煤粉的冲刷和铁水的溶蚀，而应用TBC作为耐热防护涂层，则可使其使用寿命显著提高；应用TBC的新型雾化金属喷嘴具有极佳的抗腐蚀和抗热震性能，工作寿命长且对于保证超细粉末质量有显著作用；在汽车工业方面，发动机进出气口采用TBC的阀座可降低该部件的损耗；TBC也多用于以轻金属铝合金为基体材料的活塞式气缸顶部和边缘。一些专家预测，在未来10年，TBC将会用到更加广阔的领域。
热障涂层在技术上无疑具有很大的潜力和良好的发展前景，但也存在一些有待进一步改进的问题，主要有涂层附着力的控制、涂层失效机理的研究和涂层性能测定等，其中，涂层附着力的控制是最为重要的问题。涂层的附着力，亦称涂层的粘结强度或结合强度，是直接影响涂层使用性能的关键质量指标。涂层剥落是零件最主要的破坏形式，也是影响热障涂层在燃气涡轮发动机上扩大应用的主要因素。导致涂层剥落的主要原因，一是粘结底层氧化；二是基体金属与陶瓷涂层热膨胀系数之间的差别，两者之间存在着明显的应变不匹配。热障涂层的发展过程，就是对这两方面的问题进行不断改进和提高的过程。
2．热障涂层设计
热障涂层的设计包括涂层成分选择、涂层结构设计及喷涂方法选择等。
（1）成分选择。
1）粘结底层。典型的粘结底层材料为MCrAlX合金，其中，M是粘结底层基本构成元素，一般为铁族元素或高熔点金属元素以及这些元素的组合，例如，Ni、Co、Fe、Ni-Co、Ni-Fe等；Ｘ表示活性金属，是为了增加结合强度和提高涂层抗氧化性能而添加的元素，包括：Y、Hf、Sc、Ce、La、Th等较活泼的元素，最常用的是Y。
采用渗铝工艺在粘结底层表面制备富铝层，可以降低粘结底层的氧化速率，提高TBC使用寿命；在CoNiCrAlY中添加Re、Ta可以显著改善粘结底层的抗氧化性能和力学特性。
2）陶瓷面层。目前，TBC涂层中的陶瓷面层主要为完全稳定或部分稳定的氧化锆陶瓷。由于纯氧化锆晶体随温度变化存在不同的晶体类型，当温度超过1000℃时，会发生单斜晶体向四方晶体的转化，并伴随有7%的体积变化，而在随后的冷却过程中，单斜晶体结构会得到恢复，而体积却不能回复到原来状态，即体积在加热冷却前后会发生不可逆转变，这种晶型转变和体积变化，在遭受热循环条件下，涂层内部会产生很大的热应力，从而造成涂层早期开裂，甚至发生剥落失效。因此，需要在纯ZrO2晶体中添加稳定剂。
在纯ZrO2晶体中添加稳定剂后，经烧结或熔融处理形成固溶体，获得在熔点以下整个温度范围内都稳定的、膨胀系数很低的立方型稳定ZrO2。但是，在高温下，虽然全稳定化立方晶ZrO2的膨胀和收缩是可拟的，但其线膨胀和收缩量都很大，对于提高抗热震寿命并不利，因此，通常采用由单斜晶体和立方晶体混合结构组成的部分稳定氧化锆，这种晶型结构在高温下，单斜晶体部分会发生体积收缩相变，而立方晶体部分则随温度升高发生体积膨胀，两种变化相互抑制，从而使部分稳定ZrO2具有比完全稳定ZrO2更低的平均热膨胀系数，具有更好的抗热震性能。
在氧化锆中添加的稳定剂包括氧化钙（CaO）、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)和氧化铈(CeO)等。其中，CaO稳定剂的加入量有5%、6%、8%、10%、15%和30%，随着CaO含量的增加，涂层的硬度增加。CaO含量高达30%的涂层，硬度相当高，具有很好的抗高温颗粒冲蚀性能。但是，CaO稳定的ZrO2涂层，若长期或周期性地暴露于1093℃以上的高温环境中，CaO有扩散出稳定化ZrO2晶体之外的倾向，导致涂层使用温度受到限制，只能在845℃以上、1093℃以下的高温环境中长期使用，超过1093℃以上只能短期使用。MgO稳定剂的加入量通常为20-30%时，此时，ZrO2在不同温度下，特别是在高温热循环时能保持晶型稳定。MgO稳定的ZrO2，在1400℃以下，其平衡组织为四方相或单斜相加MgO，在热循环过程中，MgO会从固溶体中析出，导致涂层热导率增加，隔热能力下降，广泛应用受到限制。而Y2O3部分稳定的ZrO2，在高达1650℃下长期使用时，Y2O3也不会象CaO那样向晶体外扩散，其化学稳定性和热稳定性均优于CaO部分稳定的ZrO2和MaO部分稳定的ZrO2，是一种性能优异的使用温度最高的热障涂层材料。其添加量有6-8%、13%和20%，前两种是部分稳定ZrO2，后一种是完全稳定ZrO2，对热障涂层来讲，部分稳定的氧化锆具有更好的抗热震性能，因此，6-8%氧化钇部分稳定的氧化锆就成为热障涂层中陶瓷面层的首选材料。
近年来，关于Y2O3、Nd2O3、Sc2O3等部分稳定剂(PSZ)的研究发现：在快速冷却条件下，在ZrO2陶瓷层中存在部分或全部“非转变”的四方相t′，尽管仍为介稳相，但在1100-1200℃高温循环条件下不分解为平衡的四方相和立方相。而6-8%Y2O3-ZrO2(YSZ)涂层则在1100-1200℃下，t′相不发生分解。在CeO-Y2O3-ZrO2中，t′相的稳定性优于8%YSZ，但抵抗含V、S等腐蚀介质燃气的性能较差，而Sc2O3-Y2O3-ZrO2(SYSZ)具有高温下(1400℃)更高的t′相稳定性和抗热盐腐蚀能力。
（2）涂层结构设计。热障涂层结构主要为双层结构、多层结构和梯度结构三种。
双层结构由喷涂在高温合金基材上的陶瓷面层(多为ZrO2基陶瓷)和粘结底层(多为MCrAlY型)构成，陶瓷面层主要起隔热抗氧化作用；粘结底层主要起增加陶瓷面层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配容限以及抗氧化等作用。双层结构热障涂层由于结构简单，容易实现，是目前获得广泛实际应用的热障涂层。
多层结构主要是为了减小陶瓷面层和金属粘结底层之间的热膨胀不匹配性而在两者之间加入中间层，或是为了进一步提高热障涂层的抗氧化性能，在陶瓷面层和金属粘结底层之间添加一薄Al2O3层，但该层的加入对热震性能改善不大，且工艺复杂，涂层重复性、可靠性略差。
梯度结构热障涂层是指从金属粘结底层到陶瓷面层之间的化学成分、显微组织结构及力学性能制备成沿涂层厚度方向呈梯度连续变化。该结构提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度，具有理想涂层设计的高温性能，抗热震性能优于双层涂层，但在实际制备中获得的是多层阶梯状结构，且制备技术复杂，仍处于实验室设计研究阶段。
（3）喷涂方法选择。由于ZrO2陶瓷材料的熔点较高(2760℃)，热导率低(约为1.0-2.0W/mK)，在第二章所述的热喷涂工艺方法中，除电弧喷涂、冷气动力喷涂、高速火焰喷涂、氧乙炔火焰重熔和中频感应重熔技术以及等离子喷焊工艺方法不能用于制备ZrO2陶瓷涂层外，其它热喷涂工艺方法均可以用来制备。
但是，随着涂层性能要求的提高，热障涂层的制备基本以等离子喷涂方法为主。但在实际应用中，或受限于条件，或为了降低成本，保证性能，常采用不同的热喷涂工艺方法。根据制备热障涂层运用单一设备还是多种设备，可将热障涂层制备工艺分为单一制备工艺和复合制备工艺两种。
单一制备工艺是指热障涂层粘结底层和ZrO2陶瓷面层采用同一种喷涂方法进行制备的工艺，包括：大气等离子喷涂工艺、低压等离子喷涂工艺、真空等离子喷涂工艺、爆炸喷涂工艺、高速等离子喷涂工艺等。
复合制备工艺是指热障涂层粘结底层和ZrO2陶瓷面层分别采用不同的喷涂方法进行制备的工艺，包括：①真空+大气等离子复合喷涂工艺，热障涂层粘结底层采用真空等离子喷涂工艺制备，而ZrO2陶瓷面层采用大气等离子喷涂工艺制备；②高速火焰+大气等离子复合喷涂工艺，热障涂层粘结底层采用高速火焰喷涂，ZrO2面层采用大气等离子喷涂；③高速火焰+高速等离子复合喷涂工艺，粘结底层采用高速火焰喷涂，ZrO2面层采用高速等离子喷涂等。
为解决等离子喷涂TBC存在的高气孔率和裂纹引起的抗氧化性和涂层寿命降低的问题，国内外针对激光制备TBC方法在激光表面重熔和激光熔覆两个不同的领域开展了广泛的应用探索研究。关于激光重熔技术可参阅第二章2。8。3节。激光法制备TBC工艺有两种，即激光一次熔覆法和激光二次熔覆法。激光一次熔覆法制备TBC属于新领域，近十年才有研究报导。主要有预置法和送粉法。预置法是将部分稳定的YPSZ与Ni基复合粉，预置在基材上，再采用CO2激光熔覆，获得分层结构的复合涂层，表面为致密的ZrO2陶瓷层，其下为Ni基合金过渡层，ZrO2陶瓷层的上部为等轴晶，中下部为柱状晶，主要由t′相组成。送粉法是采用送粉装置将部分稳定的YPSZ与合金复合粉送入激光照射区域，利用激光将其熔覆在基材上，获得了自动分层的陶瓷层区域，均为柱状晶组织，且基本由t′相组成。激光二次熔覆法是指首先在基体表面采用等离子喷涂ZrO2陶瓷层后再对其进行激光熔覆处理的工艺，采用该工艺可以获得表面光滑、连续、致密、无裂纹和孔隙等缺陷的陶瓷熔覆层，避免了送粉法激光熔覆工艺无法解决的裂纹问题。陶瓷熔覆层的组织为柱状晶，其生长方向与基体垂直。激光二次熔覆法为制备高性能低成本TBC提供了可行途径，但尚处于初步研究阶段，高温性能试验为空白，熔覆工艺参数、涂层分层组织、成分、形态、内外成型质量以及高温性能等对涂层寿命的影响还有待进一步深入研究。

近年来，采用电子束物理气相沉积(ＥＢ-ＰＶＤ)法制备具有高抗热震性能的TBC引起人们的关注。关于ＥＢ-ＰＶＤ热障涂层的研究始于20世纪70年代，美国普惠公司于80年代取得突破，随后，该技术在德国等国也获得了成功应用。ＥＢ-ＰＶＤ热障涂层是采用高能电子束加热并气化陶瓷源，形成陶瓷蒸气，再以原子为单位沉积到基体上而形成的，其涂层组织为垂直于基体表面的柱状组织，柱体与基体之间呈冶金结合，稳定性很好。在高温环境中，柱与柱之间可以分开以缓解由于热膨胀系数的差异而造成的热应力，从而大幅度提高涂层热疲劳抗力。研究表明，在ZrO2陶瓷和粘结底层之间发现有Al2O3区形成，该区的存

在有利于提高热障涂层的抗氧化性。此外，采用ＥＢ-ＰＶＤ制备的热障涂层，表面光滑，可复现原底层粗糙度，无需再加工，可减少燃气阻力，提高涂层使用寿命，且工艺参数比等离子喷涂易于控制，但是，ＥＢ-ＰＶＤ工艺也存在涂层隔热能力较低、涂层厚度不可控、表面清洗复杂、设备复杂昂贵、沉积速率相对较低、工艺流程繁琐等缺点，这些都是非常需要研究改进的。
鉴于等离子喷涂法制备的TBC和ＥＢ-ＰＶＤ法制备的TBC之间存在的较大差别，有人将采用等离子喷涂法制备的TBC称为第一代TBC，采用ＥＢ-ＰＶＤ法制备的TBC称为第二代TBC。
3．热障涂层制备
制备TBC最成熟、应用最多的工艺方法是等离子喷涂法。除生产效率高、成本较低外，涂层隔热效果好也是它很突出的优点，因此，国内外仍在对该方法进行不断改进与发展。本小节仅对大气等离子喷涂法制备TBC进行较详细阐述。
在等离子喷涂制备热障涂层过程中，影响涂层质量的工艺参数很多，甚至有人说要超过100个，因此，在进行热障涂层制备时，严格控制各个环节，对所涉及的工艺参数进行优化是非常必要的（参见4.1.7节 涂层制备工艺优化设计），经过反复的工艺优化和涂层性能考核研究，最终以实际应用考核为准，确定制备热障涂层的工艺，一经确定，要严格执行。在实施过程中，应注意以下环节。
（1) 严格控制喷涂粉末质量。选用高质量的喷涂粉末是制备高质量、性能稳定热障涂层的基础。因此，在实施喷涂前，要对粉末的质量进行严格检验，内容涉及以下几个方面：①粉末成分；②制备方法；③粉末形态；④流动性；⑤松装密度；⑥粒径大小；⑦粒度分布；⑧批次均匀稳定性。当粉末供应商确定以后，在上述8个环节中，可只对③~⑦的5个环节进行控制。以下例子可说明喷涂粉末对热障涂层质量的重要性。
Wigren等采用完全相同的喷涂参数对两种同样规格但粉末形态不同的空心球化团聚烧结ZrO2粉涂层显微组织进行了比较，结果如图4-11所示。由图可知，涂层微观结构差别较大，这两种涂层在1100℃测得的热导率分别为0.6W/mK和0.4W/mK，充分说明了喷涂粉末对涂层微观结构及性能的影响。Wigren等还针对2种团聚烧结粉、1种空心球化粉、1种烧结破碎粉和2种溶胶凝胶粉，分别采用5种不同的参数进行了喷涂研究，热震试验结果表明，涂层的抗热冲击次数存在明显不同。
（2) 严格控制喷涂参数。用作热障涂层面层的ZrO2材料具有熔点高、热导率低的特点，进行等离子喷涂时必需输入较大的功率才能保证粉末的熔化状态，但等离子喷涂涉及的各项参数必须恰当匹配，下面介绍几个主要工艺参数。
1）电参数要与设备相匹配。喷枪是完成等离子喷涂过程的核心设备之一。不同型号的喷枪具有自身的特点及要求，因此，在设定电参数时要满足所用设备的要求。相对而言，普莱克斯SG100型喷枪的工作模式属于高电流低电压，而美科7M/9M型喷枪的工作模式属于低
电流高电压。在喷涂ZrO2类粉末时，SG100型喷枪的电流设置在800-900A、电压设置在40V左右；而7M/9M型喷枪的电流设置在600A、电压设置在80V左右。如果电压不在上述范围，应通过调节辅气流量来达到，此时，应注意辅气流量不能超过一定限度。假如将辅气调至最大限度流量，仍不能达到所需要的电压，则应停止喷涂，仔细检查喷枪配置，看喷嘴和电极是否遭到损坏、流量计与喷枪之间的气体输送管路是否存在泄露现象。
2）等离子气体的选择。等离子喷涂所用气体分两种，一种称为主气，压力较大，流量较高，主要是Ar气、N2气；另一种称为辅气，压力较小，流量较低，主要是H2气、He气。在这四种等离子气体中，主气N2和辅气H2是双原子分子，在高温下，要首先发生离解，变为单原子，其离解能分别为9.76eV和4.477eV，然后再发生电离，形成正离子和自由电子。H、N、Ar和He四种原子的电离能分别为13.595eV、14.54eV、15.755eV和24.58eV。因此，主气N2产生的等离子体热焓高、传热快，利于粉末加热和熔化；主气Ar产生的等离子体热焓相对较低，但产生的等离子弧稳定，易于点燃，弧焰较短，适于小件和薄壁件喷涂。辅气H2产生的等离子体焓值比He气要高。
在实际喷涂ZrO2热障涂层时，选择怎样的主气和辅气搭配还与喷枪型号有关。普莱克斯SG100喷枪提倡采用主气Ar、辅气He作为等离子气体；而美科7M/9M型喷枪则通常采用主气N2、辅气H2作为等离子气体，但要注意与N2气气体分配环相匹配。
此外，等离子气体的流量大小也是很重要的工艺参数，它直接影响到等离子焰流的热焓和流速，继而影响喷涂效率、涂层孔隙率和涂层结合强度大小。在一定的功率下，存在一个最佳的气体流量值。气量过大，离子浓度减少，气体原子或分子会吸收等离子焰流的热量，从而冷却等离子焰流，使热焓和温度都降低，导致粉末熔化不充分，喷涂效率降低，涂层组织疏松，孔隙率增加；反之，气量过小，会将使焰流软弱无力，导致粉末粒子温度和速度都下降，容易引起喷嘴和阴极烧损。
因此，必须针对ZrO2粉末的特性进行优化，找到满足涂层性能要求的等离子气体流量值。
3）送粉参数。送粉参数主要包括送粉位置(内送，外送，距喷枪轴线的距离)、送粉嘴配置(几号送粉嘴)、送粉角度(垂直、内倾、外倾)、载气流量以及送粉速率等。当喷涂粉末确定之后，主要调节载气流量和送粉速率两个参量。
载气流量要与工作气体流量相适应，一般为工作气体的10-20%左右，其调节原则是能将ZrO2粉末送入焰心为准。
送粉速率和粉末进入弧中的位置是影响涂层结构和喷涂效率的重要参数。喷涂粉末只有送至焰心位置，即焰流温度、速度最高处，才能使其获得最好的加热和最高的速度。送粉速率必须与输入功率水平相适应，送粉速率过大，会导致粉末熔化不充分，造成夹生、层片黏结状况不佳；送粉速率过少，则会降低喷涂效率，并可能造成基体过热。
4）喷涂距离和喷涂角度。喷涂距离是指沿焰流轴线喷枪出口离工件表面的垂直距离。喷距太小，会使基体温升过高，在基体与热障涂层之间产生较大的内应力，从而影响涂层性能。喷距过大时，ZrO2粒子碰撞基体时的温度和速度都下降，涂层结合力、沉积效率会降低，同时气孔率增加。在基体温度允许的情况下，可适当减小喷涂距离。
采用DPV-2000热喷涂在线检测仪测量了KF-230氧化锆粒子的温度和速度随喷涂距离的变化， ZrO2粒子的温度随喷涂距离的增加而逐渐下降。刚离开喷嘴60mm时，粒子的平均温度高达近3000℃，高于ZrO2的熔点温度（约2700℃），这表明粒子有一定程度的熔融。随着喷涂距离的增大，ZrO2粒子温度逐渐减小，当喷涂距离为80mm时，粒子的温度下降至2700℃左右。ZrO2粒子的飞行速度随喷涂距离的改变呈高斯分布特征，并且峰值出现在喷涂距离80mm左右。因此，综合考虑ZrO2粒子的温度和速度，在所选定的喷涂工艺条件下，喷涂距离选择80mm是合适的。
喷涂角度是指焰流轴线与被喷涂表面之间的角度。在实施喷涂时，应尽可能保持喷涂角为90o。当喷涂角小于45o时，会产生“遮蔽效应”，导致涂层孔隙率增加，使涂层变得疏松。
5）喷枪与工件的相对移动速度。在一定送粉速率条件下，喷枪与工件的相对移动速度（简称移枪速度）意味着单位时间内喷枪所扫过面积多少或每次喷涂层的厚薄，所以对移枪速度的控制实际是对每次喷涂层厚度的控制，而每层的厚度会影响涂层的残余应力，随其厚度的减薄可明显减小残余应力。此外，移枪速度还对基体温度有影响。
对ZrO2热障涂层来讲，喷涂工件时，一般应控制喷枪每扫过一遍的厚度要小于25μm。
（3) 控制基体温度。基体温度是等离子喷涂重要工艺参数之一。研究发现，在不同基体材料上喷涂ZrO2涂层时，存在不同的临界转变温度，当基体温度低于该临界转变温度时，单个ZrO2粒子与基体膨胀冷却后呈溅射状，如图所示；随基体温度升高，溅射程度减小，当基体温度高于临界转变温度时，单个ZrO2粒子的变形呈圆饼状，如图所示。单个ZrO2粒子所具有的不同变形状态，对涂层显微组织影响很大。

基体温度对ZrO2变形粒子形态的影响
虽然提高基体温度对提高ZrO2粒子之间的结合有利，但当采用大气等离子喷涂时，过高的基体温度不仅会导致基体氧化加剧，而且会导致涂层内部热应力增加，加大涂层开裂与剥落倾向。通常基体预热温度为95-120℃。但要注意，对镁基材来讲，由于镁氧化太快，喷涂前不应预热，否则，会影响涂层与基体的结合强度；对于铝基材，只能预热至65-95℃，为避免氧化，可从基体背面或侧面预热，最好不直接对喷涂表面进行预热，如不能进行间接预热，可以不预热，也不推荐采用炉内预热。
为了在喷涂过程中控制基体的温度，一般采用压缩空气对喷涂表面进行冷却，此法对保持基体和涂层性能非常有效。但在某些情况下，要求更高的冷却能力时，可以采用液氩或液态CO2，该法可使基体温度保持在50℃左右。
正确喷涂的ZrO2热障涂层的颜色应是接近白色或淡黄色。若颜色变成深黄色或橙色则表明涂层过热，若涂层颜色为浅灰色，则说明喷涂时工件温度过低，这种涂层的热震性能相对较差。
在ZrO2热障涂层的表面可以发现一些黑色斑点，这些斑点对涂层的性能不会产生影响，能谱分析表明，这些黑色斑点的成分仍是ZrO2。
4．热障涂层后处理
关于热障涂层的失效分析表明，涂层发生早期剥落失效的原因主要有三。第一，与涂层结合强度低有关，包括基体与粘结底层、粘结底层与ZrO2面层以及ZrO2面层内部变形粒子之间的结合强度；第二，与ZrO2面层孔隙率较高有关，尽管这些孔隙可以在一定程度上起到释放热应力的作用，但在服役过程中，氧会透过这些孔隙到达粘结底层，甚至基体，产生氧化，从而在粘结底层和ZrO2面层之间形成厚度为5-10μm的Al2O3层。该氧化过程会对热障涂层的使用寿命产生非常有害的影响；第三，与粘结底层和ZrO2面层之间热膨胀系数不匹配有关，在反复的加热冷却循环作用下，涂层内部会形成裂纹，并进而产生剥落失效。目前，为了进一步提高热障涂层的使用寿命，以提高涂层结合强度、减小孔隙率为目标，针对热障涂层的后处理进行了研究，本文分别从以下三个方面进行介绍。
（1) 真空热处理。在热障涂层中，粘结底层与基体之间是以机械结合为主，两者之间较低的结合强度是导致热障涂层抗热震失效的主要原因之一。有人探讨了真空热处理对NiCoCrAlY粘结底层与TC4钛合金基体之间的结合状况和涂层抗热震性能的影响。所采用的真空热处理工艺为：真空度为0。1Pa，采用随炉加热方式将样品加热至900℃，保温8ｈ，然后随炉冷却至室温。结果表明，经真空热处理后，NiCoCrAlY粘结底层与TC4钛合金基体之间发生了冶金化学反应，并且形成了含NiTi、NiTi2和TiAl3等化合物的界面反应层，涂层的抗热震性能得以显著地提高。因此，真空热处理是改善热障涂层与基体结合状况，提高热障涂层抗热震性能的有效途径之一。
（2) 热等静压处理。涂层热等静压处理(简称HIP)是将喷涂好的热障涂层样品置于热等静压设备中，在Ar气氛中，将温度升至较高温度(一般为1200℃左右)后，对样品施以较高压力(一般为50-200MPa之间)，并保温几个小时，然后再冷至室温。研究结果表明，经过HIP处理后，粘结底层和ZrO2层变得更加致密，ZrO2涂层中裂纹减少；涂层中具有较高Y2O3含量的、没有转变的四方相会发生一定程度的再结晶，形成细等轴晶组织；由于存在烧结效应，在层间或变形粒子之间会形成一定的冶金结合，提高涂层结合强度，引起涂层断裂模式发生改变，由层裂型转变为穿层型；在粘结底层和ZrO2面层之间的界面上形成一薄Al2O3层，可提高热障涂层抗氧化能力；在粘结底层和基体之间的界面上，底层中Ni和基体中的Fe发生了明显的互扩散。HIP处理带来的涂层结构变化，都对提高热障涂层性能有利。
（3) 激光重熔处理。激光重熔处理是指采用一定能量的激光束照射已喷涂好的热障涂层样品表面，使ZrO2表面层组织结构发生变化，从而达到改变热障涂层性能的后处理方法。激光重熔处理后引起金相组织发生改变的区域主要集中在ZrO2表层深约70μm的范围内，对更深处的ZrO2涂层组织及粘结底层与ZrO2层之间的界面结合影响不大。由图4-14b可知，激光重熔处理后ZrO2表层形成了柱状枝晶结构，与等离子喷涂形成的层状结构存在很大差别，与EB—PVD热障涂层结构类似，这种组织具有很高的抗热冲击能力，研究表明，激光重熔处理热障涂层的抗热冲击能力是等离子喷涂热障涂层的四倍。如前所述，目前，美国、日本等少数国家正积极开展“等离子与激光”复合喷涂工艺研究，以进一步提高热障涂层的各项性能。
（4) 封孔处理。热障涂层在燃烧室内工作时，由于温度的变化使之处于热循环状态。由于ZrO2陶瓷涂层中存在一定数量的孔隙和微裂纹，有密切的关系，腐蚀介质会通过孔隙和裂纹传输到粘结底层/陶瓷层界面，甚至到达基体表面，从而引起氧化、腐蚀，这是导致热障涂层发生剥落失效的主要原因。为了减缓氧化和腐蚀，对涂层表面进行致密化和封孔处理是提高热障涂层使用寿命的重要手段。为此，研究了几种封孔处理的热障涂层和抗热震性，探讨了涂层失效与剥落方式间的关系及失效机理。
有人分别采用有机硅树脂、NiCrBSi金属涂层、水玻璃三种封孔剂对热障涂层试样的表面进行了封孔处理，并进行了热震试验，具体是将试样加热至900℃，保温5min后取出，迅速进行强制风冷20min，如此反复，直至涂层发生失效剥落，记下失效时的热循环次数。结果表明，热障涂层经封孔处理后，热震寿命得到改善。三种封孔剂中，有机硅树脂效果最好，NiCrBSi涂层次之，水玻璃效果不明显。
五、 梯度功能复合涂层
采用热喷涂技术制备的涂层，其结构如4.1.6节中所述分为单层结构、双层结构、多层结构和梯度结构四种。在许多实际应用中，当所选用的构件材料与能够满足外部恶劣环境要求的涂层材料之间存在很大的物理性能差别时，采用梯度功能复合涂层可以在两者之间实现良好的过渡，以保护构件免受外部恶劣服役环境如高温、腐蚀、磨损以及冲蚀等条件的作用。功能梯度材料的典型结构如图4-4所示。
在第二章所描述的各种热喷涂工艺方法中，等离子喷涂工艺方法有其自身突出的特点：等离子焰流温度高、热量集中，能熔化所有的高熔点物质，除了在高温下发生分解或气化的材料之外，通过适当调节喷涂工艺，都可以对其进行喷涂。在喷涂过程中，通过采取恰当的冷却措施，零件基本保持无变形，不改变基体材料的原有性能。适合等离子喷涂的材料非常广泛，得到多种性能的喷涂层，如耐磨涂层、防腐涂层、隔热涂层、高温抗氧化涂层、导电涂层、绝缘涂层、电磁屏蔽涂层等。
因此，在喷涂过程中通过预先控制两种或多种材料的混合比例，就可以实现两种或多种成分之间的连续变化，等离子喷涂法成为制备梯度功能材料（简称FGM）的重要方法之一。
采用等离子喷涂法制备梯度功能复合涂层的方法分两种，一种是单枪法，即在制备涂层过程中只使用一把等离子喷枪；另一种是双枪法，即在制备涂层过程中要使用两把等离子喷枪。根据不同的喷涂特征可将其分为如表所示的六种方法。
等离子喷涂制备梯度功能复合涂层方法

在采用单枪法喷涂梯度功能复合涂层时，要注意控制两种成分的飞行轨迹尽可能保持一致，以形成相同的束斑，否则，两种材料不会沉积在相同位置，出现富集区，甚至形成不均匀带状结构，这将严重影响梯度功能复合涂层的各项性能。当两种材料的性质相差较大时，采用单枪法很难获得性能优良的梯度功能复合涂层，最好采用双枪法，每一种材料用各自的喷枪进行喷涂，并可以独立地进行喷涂参数的优化，在实际中经常采用该方法。
在采用热喷涂法制备梯度功能复合涂层中，研究最多的是采用等离子喷涂制备热障涂层，即NiCrAlY/ZrO2系梯度功能复合涂层，被研究的其它体系包括：Cu/W、Cu/B4C、Ni/Al2O3-Cr2O3、NiCrBSi/Ni包Cr3C2、Mo/TiC、Ni包Al/Al2O3、Ni/Al2O3、Co包WC/Ni-Cr、Co包WC/聚酰亚胺、梯度Hap生物涂层以及孔隙呈梯度分布的Ti涂层等。需要说明的是，上述梯度功能复合涂层均不是严格意义上的梯度结构，而只是多层阶梯结构。
六、 纳米涂层
随着纳米技术在高科技材料领域的异军突起，关于纳米材料的研究内涵不断扩大，由于纳米材料本身具有许多独特的性质，应用前景十分广阔。而且纳米材料科学涉及面广，包括原子物理、凝聚态物理、胶体化学、化学反应动力学和表面、界面科学等众多学科。纳米技术在实际应用和理论研究方面都具有极大的价值，成为近些年材料科学研究的热点，被认为是“二十一世纪最有前途的科学之一”。制备纳米复合材料是获得高性能材料的有效方法之一，这也为热喷涂纳米涂层的发展提供了难得的契机。初步研究结果表明：纳米结构涂层具有取代现有涂层的潜力，在高性能应用方面，如高耐磨、抗腐蚀、长寿命热障涂层等，它都有着令人难以想象的潜力。
热喷涂属于快速加工工艺过程，且温度很高、冷却速率极快、粉末在等离子焰流中停留的时间很短，这些特点会使得原子还来不及扩散，纳米粒子生长受到限制，纳米晶粒可以在涂层中保存下来。所以，纳米材料的独特性能能够在纳米结构涂层中表现出来。
随着纳米涂层研究开发与应用的不断深入，关于纳米涂层制备、表征及应用的研究成为热喷涂技术重要的发展方向之一。这可以从2002年-2003年三年间发表在国际热喷涂会议上关于纳米涂层的文章数量得到证明：2002年6篇；2003年13篇关；2004年19篇，并设立了纳米涂层材料专题。研究内容涉及涂层的强度、韧性、抗腐蚀、耐磨、热障、抗疲劳、低摩擦等多个方面，初步结果表明，纳米涂层性能与常规微米涂层相比有了显著提高，这将有力的推动纳米涂层技术的发展。
根据纳米涂层显微组织结构特点，可将纳米涂层分成三类：单一纳米材料涂层体系（纳米晶）；两种或两种以上纳米材料构成的复合涂层体系（纳米晶+纳米非晶）；添加纳米材料的纳米改性涂层体系（微米晶+纳米晶）。下面从三个方面阐述纳米涂层的研究现状。
1．纳米喷涂粉末制备
热喷涂粉末的粒度范围通常为-140+325目（-106μm+45μm），对超音速火焰喷涂（HVOF）和高能等离子喷涂（HPPS）来讲，所用粉末要细一些，其粒度范围为-45μm+5μm。据报导，目前已开发出能够喷涂10μm以下的超音速火焰喷涂设备。当粉末粒径小于5μm以下时，一方面由于质量太小，在喷涂过程中，其动量衰减太快，难于形成涂层，另一方面在喷涂过程中也容易发生烧损，因此，纳米粉末不能直接用于热喷涂。必须在喷涂之前将纳米颗粒进行二次造粒处理，制备成适合喷涂工艺需要的微米级颗粒，该处理工艺包括三个过程：即团聚造粒、致密化处理和分筛处理。
团聚造粒主要是将纳米粉末制备成符合热喷涂工艺要求的微米级纳米团聚体颗粒。喷雾干燥是团聚造粒的主要方法，可分为两种，即液相分散喷雾干燥法和原位合成喷雾干燥法。液相分散喷雾干燥法的基本思路是：将纳米粉末和具有一定黏结性能且为无灰型的高聚物一起放入分散介质（水或有机溶剂）中，进行搅拌或超声分散，形成纳米粒子均匀分布的溶胶状材料，再将其送入喷雾干燥设备中，进行雾化吹干，形成直径为几十微米的团聚体颗粒。原位合成喷雾干燥法的基本思路是：针对采用液相合成法制备的含有所需纳米粒子的浆料，采用超滤、渗透、反渗透及超离心等工艺方法进行处理，当除去纳米粒子以外的多余成分后，加入适当的液相介质和其它组分，进行搅拌或超声分散，形成纳米粒子均匀分布的溶胶状材料，再将其送入喷雾干燥设备中，进行雾化吹干，形成直径为几十微米的团聚体颗粒。
致密化处理主要是为了提高原始纳米颗粒之间的结合强度，降低孔隙，以保证粉末在贮存、运输以及喷涂时向喷枪输送的过程中不会发生碎裂。致密化处理方式有两种，即烧结致密化和等离子致密化。烧结致密化是将经过团聚造粒得到的纳米团聚体颗粒置于加热炉中，在一定温度下，经过一段时间的保温处理（有的粉末要求在真空条件下进行）后，再缓慢冷却至室温的过程。等离子致密化是将经过团聚造粒得到的纳米团聚体颗粒送入等离子喷枪中，利用等离子体的高温瞬时作用，使纳米团聚体颗粒表面变得更加光滑，球化度更高的过程。
2．纳米涂层制备
据国内外资料介绍，针对纳米结构涂层，目前已经开展的热喷涂制备方法研究包括等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）和电弧喷涂等三种方法，下面分别予以介绍。
（1) 等离子喷涂法。从目前国内外研究状况来看，采用等离子喷涂法制备纳米结构涂层的研究相对较多，也是最有可能获得广泛应用的纳米结构涂层制备技术。目前，从事该领域研究主要代表包括：美国纽约州立大学C.C.Berndt教授、美国康涅狄格大学的M.Gell教授和我国上海硅酸盐研究所的丁传贤院士。
Berndt等人详细研究了纳米结构粉末熔化过程中再结晶形成涂层的过程，应用断口分析的方法确定了熔化状况，认为熔化粒子包覆未熔粒子使等离子涂层形成了一个整体。同时指出，不同粒径分布的粉末应确定不同的喷涂参数，为了更好的保留原始粉末的纳米结构，用于喷涂的纳米材料颗粒尺寸应该大于普通粉末的尺寸。Berndt等人还对纳米结构涂层的硬度进行了详细研究，并通过对硬度的双峰分布分析，得出纳米涂层具有二相分布特征；还提出涂层表面越光滑，硬度和弹性模量越大，当涂层表面光滑的时候，熔融粒子变形更加充分，变形粒子间接触面积更大，从而提高了涂层的结合强度。
美国M.Gell等人系统研究了等离子喷涂陶瓷纳米结构涂层，实验采用了纳米结构的Al2O3和TiO2混合后重组的Al2O3-13%(质量分数) TiO2喷涂粉末，并分别采用SEM、XRD、TEM、EDX等手段分析和测定了纳米结构涂层的组织结构和机械性能。喷涂粉末中Al2O3以α-Al2O3和γ-Al2O3的形式存在，TiO2以锐钛矿的形式存在，而重组后的TiO2以金红石形式存在。M.Gell等人采用Metco9MB等离子喷涂设备喷涂纳米结构Al2O3-TiO2（13%(质量分数) TiO2）粉末，并将获得的纳米结构涂层与传统粉末喷涂层相比。研究表明，涂层中单个Al2O3纳米晶粒与TiO2纳米晶粒之间有较好的润湿性。TEM分析表明，传统粉末涂层与纳米结构涂层中扁平状颗粒平均尺寸均为40μm左右，传统粉末喷涂层中的扁平颗粒是由微米粉末变形生成，而纳米结构涂层是由纳米结构粉末中的纳米尺寸经理组成。实验结果表明，与常规微米结构涂层相比，所得纳米结构涂层的抗冲蚀能力为传统微米涂层的4倍、结合强度提高2-3倍、涂层韧性提高2-4倍。目前，该涂层已在美国海军舰船和潜艇上获得应用。
丁传贤等对纳米原始粉末的相组成和制备涂层的氧化锆相组成进行了研究，选用一次粒径为70-110nm的商用3%氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉末，经喷雾造粒后获得粒度分布为15-40μm的粉末，并采用等离子喷涂法制备了纳米结构氧化锆涂层。对喷涂粉末和纳米氧化锆涂层的XRD分析表明，粉末原料中的单斜相经等离子喷涂后转变成了四方相和立方相，并且涂层中不存在单斜相；并指出，由于涂层XRD曲线的半峰宽与原始粉末半峰宽相比有所变窄，说明喷涂中存在晶粒生长，但其长大是有限的。丁传贤小组还对纳米陶瓷的显微结构进行了深入的研究：通过TEM观察，发现纳米涂层由两种尺寸晶粒组成，一种为小尺寸纳米晶粒，其粒径大小为60-80nm，晶粒发育不完整，晶界不很清晰；另一种为晶粒发育良好的大尺寸纳米晶粒，尺寸在70-120nm之间，晶界清晰。此外，还采用图像分析技术对抛光后涂层横截面上的孔隙率进行了观察与统计，认为纳米涂层中的气孔存在两种方式，一种是较大气孔(10μm)，呈不规则的长条状，数量较多，约占总气孔率的45%，且分布不均匀；另一种是较小气孔(<1μm)，呈圆形，分布比较均匀，约占总气孔率的55%左右；而总的孔隙率约为7%左右。此外，丁传贤小组还对纳米氧化锆涂层的热性能进行了研究，所制备涂层的热膨胀率为11.0~11.6×10-6℃-1，比普通氧化锆涂层的热膨胀率高；同时，测得的纳米涂层热扩散率为1.80-2.54×10-3cm2/s，而传统的氧化锆涂层为2.25-3.57×10-3cm2/s，这些结果表明，纳米热障涂层的隔热性能有了进一步提高。此外，他们还对纳米涂层的摩擦学性能进行了研究，结果表明纳米涂层经过摩擦后，其失效模式是产生塑性变形和显微裂纹，而普通涂层的失效模式为塑性变形和脆性断裂。
沈阳黎明发动机公司针对ZrO2纳米结构涂层的研究结果表明，与常规微米涂层相比，其隔热能力提高1.5-2倍，耐热冲击能力提高2-3倍，结合强度提高1.5倍，显微硬度提高产量1.5倍。北京理工大学王全胜等人的研究结果表明，通过控制等离子喷涂参数可以改变ZrO2纳米结构涂层的显微组织，从而引起涂层热导率改变，其降低幅度达45%左右。因此，针对纳米结构粉末，应结合涂层性能要求详细进行等离子喷涂工艺的优化研究，以充分发挥纳米结构涂层的潜力。
此外D.G.Attreidge等人采用高能等离子喷涂技术（HEPS）喷涂WC/12Co微米级纳米结构喷涂材料，获得纳米结构等离子喷涂层。分别对传统微米级实心粉（WC/12Co）、微米级纳米结构空心粉末（WC/12Co）和实心粉末（WC/12Co）三种高能等离子喷涂层的磨损性能进行了对比分析，结果显示，实心粉末涂层的冲蚀磨损率是空心粉末的1/2，是传统实心粉涂层的1/3左右。由于高能等离子喷涂采用200kw以上喷涂系统，使得纳米结构粉末在喷涂过程中熔化效果较好，颗粒冲击基体的速度高，获得的涂层具有组织致密，孔隙率低，结合强度高等特点。
国内外研究结果表明，具有纳米结构的涂层，特别是氧化物和碳化物，在高温下显示出优异的抗晶粒长大能力和热稳定性，具有奇特的“钉扎效应”，纳米晶具有抗晶界溶解的能力，能在升高温度时抑制晶粒长大，这与传统的“表面能理论”和“最低能量状态理论”颇不相符，因此，还需要对纳米材料基础理论作进一步的深入研究。
随着对纳米结构涂层研究的深入，出现了一种新的喷涂方法，即溶液等离子喷涂法（简称SPPS或SPS），其喷涂基本过程是：采用化合物溶液前驱体作为喷涂用原料，通过一特制的输送装置将溶液前驱体送入等离子焰流中，溶液前驱体在飞行过程中完成蒸发、破碎、胶凝、沉淀、热解及烧结过程，然后再碰撞到基体并进而形成涂层。
采用溶液等离子喷涂法制备的TBC具有以下特点：具有独特的显微结构，晶粒尺寸为10-30nm，具有均匀的纳米级和微米级孔隙，只有纵向裂纹而没有横向裂纹，不呈现层状结构特征，没有层片状颗粒和层间晶界，可有效抑制或减缓晶粒长大过程，减小了纳米粒子之间的烧结作用，大大延长了TBC的使用寿命，有人认为其使用寿命与EB-PVD热障涂层相当。关于该方法，还有待进一步深入研究。
（2) 高速火焰喷涂法。高速火焰喷涂（HVOF）的工作温度相对较低，纳米粉末在喷涂过程中承受相对较短的加热时间，与常规微米结构涂层相比，纳米结构涂层具有组织更加致密、结合强度高、硬度高、孔隙率低、涂层表面粗糙度低等优点。
M.L.Lau等人将4511μm的Cu粉与10%（质量分数）的Al粉混合，经过机械冶金处理后获得具有非晶/纳米晶结构的喷涂粉末，然后通过HVOF技术喷涂到不锈钢基体上。涂层的TEM分析表明，涂层组织由纳米晶的Cu和非晶的Al2O3组成，非晶/纳米晶涂层的成功制备对防腐蚀性能具有重要意义。
美国RUTGERS大学和美国海军研究室的研究人员共同开发了一种制备纳米WC/Co粉的专利技术。该技术称为喷射转换工艺。该工艺大致可分为三个步骤：第一步是溶液混合，即将W和Co的水化合物混合；第二步是用喷雾干燥法将混合后的水合物制成前驱体颗粒；第三步是用热化学转换法将前驱体颗粒还原和碳化，制成晶粒为纳米级的WC/Co粉。其大小为几十微米。优点之一是纳米结构的WC/Co的力学性能远优于传统WC/Co粉。纳米结构WC/Co粉硬度是传统WC/Co粉的2倍，而且在耐开裂、耐磨性方面也远优于传统的WC/Co。此外，纳米结构WC/Co的第2个特点是用它烧结成的切削工具，其纳米级的晶粒尺寸可使工件的加工表面具有纳米级的表面光洁度。用上述工艺制成的WC/Co粉的第3个优点是WC和Co混合均匀。A.H.Dent等人的研究表明，HVOF技术喷涂WC/Co系列纳米结构粉末制备的涂层，尤其是WC/12Co和WC/15Co纳米结构涂层与常规微米WC涂层相比具有更加优异的耐磨性能。在采用HVOF制备纳米结构WC-Co涂层组织中可以观察到纳米级WC微粒均匀分布于非晶态富Co相中，WC颗粒与基体相间结合良好。涂层显微硬度明显增加，涂层耐磨性提高。
目前，HVOF技术被认为是制备高温耐磨涂层较为理想的技术，WC/Co系列纳米涂层的成功制备将大大拓宽HVOF技术在耐磨领域的应用前景。
（3) 电弧喷涂法。电弧喷涂制备纳米结构涂层的设计思想首先将纳米粉末材料制备成微米级的纳米团聚体，然后以纳米团聚体和其它合金元素为芯核材料，以金属为外皮制备成电弧喷涂用的粉芯丝材，再进行喷涂，从而获得具有纳米结构电弧喷涂层。
美国D.G.Atteridge和M.Becker等人进行了电弧喷涂纳米结构涂层的研究工作，喷涂用粉芯丝材的组成如表所示，其中外皮和芯核材料的体积比为1∶1，喷涂粉芯丝材的电压要比喷涂实心丝材时略低些。
喷涂粉芯丝材组成

采用电弧喷涂技术将以上三种丝材喷涂到经过喷砂预处理的碳钢基体上，喷涂电流200A，喷涂电压25-35V，涂层厚度为1mm。对喷涂后的涂层成分分析表明，三种电弧喷涂层中，当Co含量为15%（质量分数）时，涂层中的纳米晶WC含量为25%（质量分数）左右；当Co含量为6%（质量分数）时，涂层中的纳米晶WC含量为30%（质量分数）左右。随着WC含量的增加和电压的升高，涂层的耐磨性得到改善。冲蚀磨损实验表明，430不锈钢-WC/6%（质量分数）Co粉芯丝材纳米结构涂层的耐磨性能优于Ni基喷涂层。Ni基纳米结构涂层的结合强度大于60MPa，涂层的结合强度也随着涂层中纳米晶WC含量的增加而略有增加。表4-27中三种涂层的结合强度测试结果分别为：1号涂层为52MPa；2号涂层为63MPa；3号涂层71MPa。Ni基纳米结构涂层的孔隙率为3%，430不锈钢基纳米结构喷涂层的孔隙率为7%。电弧喷涂纳米结构涂层技术由于其相对较低的设备成本和涂层呈现出优异的性能，将会成为纳米粉末材料热喷涂技术开发的重要发展方向之一。

目前，国外用热喷涂方法研究开发的纳米结构涂层主要包括：WC/Co系列、Ti/Al等金属间化合物、ZrO2、Al2O3/ZrO2、Al2O3/TiO2、316不锈钢、Cr2O3、Si3N4以及生物陶瓷等。其中，对热喷涂WC/Co系列纳米结构涂层研究最多，主要用于高温耐磨领域。