先进抗磨材料-激光熔覆耐磨涂层材料及其应用

第7章　抗磨涂层材料

7.1　激光熔覆耐磨涂层

光是波长大于X射线而小于无线电微波的电磁波，是原子从高能级向低能级跃迁时辐射出来的，普通光源中的发光过程主要是自发辐射。激光（laser）是英文“light　amplification　by　stimulated　emission　of　radiation”的缩写，其含义为“由辐射受激发射产生的光的放大”。

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，利用高能密度的激光束作热源，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

激光熔覆技术涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科，是材料表面改性技术的一种高新技术和重要方法。

7.1.1　激光熔覆耐磨涂层工艺

激光熔覆工艺与传统的表面熔覆工艺（例如喷焊、堆焊等）相比有很多优点：熔覆层与基材呈冶金结合，极大地提高了熔覆层与基材的结合强度；由于激光束光斑较小，加热速度极快，激光熔覆对基材的热影响区较小，因而引起的变形也小；同时由于激光的快速加热和冷却，使熔覆材料中的元素不易被基材稀释（稀释率一般为2%～8%）。

根据熔覆材料的供给方式不同，激光熔覆工艺分为两类：预置式激光熔覆法和同步式激光熔覆法。

（1）预置式激光熔覆法

将待熔覆的涂层粉料先通过粘结、喷涂、电镀、预置丝材或板材等方法预置在基材表面上，而后用激光束进行表面扫描，预覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个合金预覆层即一部分基材熔化，激光束离开后基材表面形成冶金结合的合金熔覆层。

（2）同步式激光熔覆法

在激光束辐射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将熔覆材料（一般是合金粉末）直接送入激光熔池中实现熔覆，即设计专门的送料系统，在激光熔覆加热的同时将涂层粉料直接送入激光作用区，在激光的作用下涂层粉料和基体材料表面的一部分同时熔化，然后冷却结晶形成合金熔覆层，如图 7-1所示。

1.聚焦镜筒；2.出光嘴；3.涂覆层；4.运动方向；5.工作台；6.试样；7.粉末输送管
图 7-1　同步式激光熔覆示意图

在同步式激光熔覆中，同步供料的方法很多。对于粉末类熔覆材料，常采用专用的送粉器将熔覆粉末送入熔池，一次完成激光熔覆过程。同步式激光熔覆法比预置式激光熔覆法更能保证熔覆层的质量，同时节约能源和工时，还可以对激光熔覆过程进行计算机控制，实现自动化。

为了减少熔覆层和基体在熔覆过程中产生应力、变形和开裂，有时还要在激光熔覆前对工件进行预热，在激光熔覆后进行后处理。这主要是根据基材与熔覆材料的特性以及工件的形状与尺寸等进行选择。

生产中常用火焰喷涂或者等离子喷涂将合金粉末喷涂于基材表面，获得厚度比较均匀、表面比较平整的预置层。热喷涂前一般要对基材熔覆表面进行除油、除锈和喷砂处理（也称预处理）。

当基材、熔覆材料及其供给方式确定之后，还要选择激光熔覆的工艺参数：激光功率、激光光斑直径、扫描速度及扫描方式等。扫描方式主要有单道和多道搭接两种。其实质是合理选择激光的功率密度（W/cm2或kW/cm2）和激光与材料的作用时间（s）。激光功率密度和作用时间对熔覆的影响如图 7-2所示，基材为灰铸铁，熔覆材料为钴基合金。

图中的实斜线为一恒能量密度线，也是最适宜的熔覆条件，即稀释率很低并能与基材良好结合。实线的右方为基材未熔区，熔覆材料与基材不能很好结合；实线的左方为过度稀释区；图中圆圈中的数值为稀释率（%）；图中虚线为稀释率为10%的线；图的上部为合金过度汽化区。

图7-2　激光功率密度、作用时间对熔覆的影响

激光熔覆是一个非常复杂的动态熔化过程，涉及热传导、对流、能量传递等问题，影响激光熔覆的工艺因素很多。尽管国内外学者进行了大量试验研究，也得出一些数学表达式，但在实际应用中，仍需通过试验确定最佳的工艺参数。

7.1.2　激光熔覆耐磨涂层材料与组织

1.基体材料

用于激光熔覆的基体材料和熔覆材料非常广泛。常用的基体材料有碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金及钛合金等。

2.熔覆材料

常用的激光熔覆耐磨涂层材料主要有铁基、镍基、钴基自熔性合金材料，硬质陶瓷材料以及陶瓷与金属的复合材料等，熔覆材料多为粉末状态。

（1）自熔性合金粉末

自熔性合金分为镍基自熔性合金、铁基自熔性合金和钴基自熔性合金，在重熔过程中不需外加助熔剂，有自行脱氧、造渣功能，能“润湿”基材表面并与基材熔合。它们是在镍基、铁基、钴基合金中添加适量的硼（B）、硅（Si）等元素。自熔性合金中的硼和硅在激光熔覆过程中具有良好的脱氧、造渣功能，同时硼和硅能与镍、钴、铁形成共晶合金，显著降低合金的熔点（各类自熔合金的熔点在950～1　200℃之间），增加合金的润湿性和流动性，获得表面光滑平整、组织致密的熔覆层。此外硼和硅对合金组织还有固溶强化和弥散强化作用，从而提高合金熔覆层的硬度和耐磨性。

①铁基自熔性合金粉末。铁基自熔性合金粉末的优点是价格较低，但合金的熔点高于镍基合金，自熔性和抗氧化性较差，熔覆工艺要求比较严格，主要用于在常温或中温下及弱腐蚀性介质中工作、要求具有良好耐磨性的工件。

铁基自熔性合金粉末常用的有不锈钢型和高铬铸铁型两种。

不锈钢型自熔合金是在Cr13型、18-8型等不锈钢成分的基础上添加适量硼、硅等元素，并通过调整碳和合金元素含量，得到不同硬度和性能的熔覆层。

高铬铸铁型自熔合金是在高铬铸铁成分的基础上添加硼、硅、镍等元素。由于合金组织中产生大量的碳化物和硼化物等硬质相，使合金具有很高的硬度和优异的耐磨性。但合金脆性较大，不适用于受强烈冲击的工件。

②镍基自熔性合金粉末。镍基自熔性合金粉末具有优异的激光熔覆性能。熔点低，自熔性好，有良好的抗磨损、耐腐蚀、抗氧化性能。同时具有良好的韧性和耐冲击性能。镍基自熔性合金粉末价格适中，是应用最广泛的激光熔覆耐磨涂层材料，有系列商品供应，可根据熔覆层的用途及组织性能要求选择适宜的合金牌号。

③钴基自熔性合金粉末。钴基自熔性合金是在Co-Cr-W（司太立）合金的基础上添加适量的硼、硅等元素发展起来的。钴基自熔性合金具有良好的耐热、耐腐蚀、抗氧化、抗磨损等性能。但由于钴的价格昂贵，一般只用于要求高温硬度和高温磨损的场合。

④碳化钨型自熔性合金粉末。为了进一步提高熔覆层的抗磨损性能，在上述自熔合金中加入一定量的碳化钨，熔覆层的组织为自熔合金和碳化钨的混合组织。

国产常用自熔性合金粉末的牌号、成分、性能及主要用途见表 7-1。

（2）陶瓷涂层材料

由于陶瓷材料一般具有耐磨、耐蚀、耐热等特点，在金属材料表层加入陶瓷材料能显著提高熔覆层的耐磨性能，因而激光熔覆陶瓷材料粉末引起人们的极大兴趣。但是由于陶瓷材料的熔点、热膨胀系数等物理、化学性能与金属基材差别很大，难以在金属基材表面得到光滑平整、致密、无缺陷、有实用价值的激光熔覆纯陶瓷涂层。试验研究者目前多是将陶瓷粉末加入金属熔池或将陶瓷粉末与金属粉末混合加入金属熔池，获得陶瓷与金属的复合材料熔覆层。

（3）金属与陶瓷复合粉末材料

用于激光熔覆的金属与陶瓷复合粉末种类很多。常用的有镍包碳化钨、钴包碳化钨、镍包碳化铬、镍-铬包碳化铬、镍包复合碳化物以及在镍基、钴基和铁基自熔性合金粉末中添加碳化钨或其它陶瓷颗粒等。

3.激光熔覆涂层组织

激光熔覆涂层组织包括底层、中间层和表层三部分。以镍基（Ni60）合金涂层为例，其底部、中部、和表层的组织分别如图 7　3（a）、（b）、（c）所示，可以看到，在合金层底部与基材之间有一条约20μm宽、沿界面平行的“亮带”（一般称为熔合带或结合带）。在激光熔覆过程中，合金粉末被熔化的同时，基材浅表层也被熔化，形成激光熔池。当激光束移开后，熔池底部的液相在基材的自身冷却作用下凝固。由于温度梯度很大，致使固/液相界面平行向前推进，从而形成平行于基体的薄带。在继续冷却过程中，液/固界面出现成分过冷现象，因而形成枝晶。继续凝固，剩余液相成分接近共晶成分，形成共晶组织。

图7-3　激光熔覆镍基合金（Ni60）层的组织（SEM）

表7-2是激光扫描速度对Ni60合金熔覆层组织及表面硬度的影响，由表中数据及组织分析表明，随着激光扫描速度增大，合金层厚度减少，合金层中枝晶组织更细密，共晶组织数量增多，共晶组织中化合物数量相对减少，基材熔化深度减少，热影响区深度减少，热影响区内的马氏体组织细化，合金层稀释率减少，合金层表面硬度升高。

表7-2　激光扫描速度对Ni60合金熔覆层组织及表面硬度的影响

镍基（Ni60）合金层中的相组成为γ-Ni固溶体、硼化物Ni3B、CrB、碳化物Cr7C3、Cr23C6等；铁基自熔性合金激光熔覆层的相组成主要是α-Fe、γ-Fe、Cr7C3、Cr23C6、Fe2B等；钴基自熔性合金激光熔覆层的相组成主要是α-Co、Co2B、M23（CB）6、M6C等。

7.1.3　激光熔覆涂层的耐磨性及其应用

激光熔覆镍基自熔性合金Ni60、Ni60＋35%WC涂层与2Cr13钢、45钢在中性石英砂浆体中的冲蚀磨损率比较见表 7-3所示，在不同腐蚀介质浆体中的腐蚀磨损率比较见表 7-4所示。

由表 7-3可以看出，激光熔覆Ni60和Ni60＋35%WC合金层具有良好的抗冲蚀磨损性能。这是由于它们的组织中，除了γ-Ni固溶体相外，还存在大量碳化物、硼化物等硬质相，在冲蚀磨损过程中能有效抵抗石英砂颗粒的冲击切削。

表7-3　几种材料在中性石英砂浆体中的冲蚀磨损率（cm3/m2·h）

注：浆体冲蚀磨损在MSH型试验机上进行，浆体为5L去离子水＋1.25L石英砂。试样为φ8mm×35mm圆柱体。冲蚀磨损时间为2h。

由表 7-4可以看出，激光熔覆Ni60和Ni60＋35%WC合金涂层在上述三种腐蚀介质浆体中具有良好的抗腐蚀磨损性能。这是由于这两种激光熔覆层既具有良好的耐磨性又具有良好的抗腐蚀性。事实上，材料腐蚀磨损的情况比单纯腐蚀和单纯磨损更为复杂，大量的研究工作表明，材料的腐蚀与磨损之间存在交互作用（协同作用），即腐蚀加速磨损，磨损促进腐蚀，从而加速材料的流失。

表7-4　几种材料在不同腐蚀介质浆体中的腐蚀磨损率（cm3/m2·h）

注：试验机为MSH型腐蚀磨损试验机，浆体为5L溶液（分别为浓度0.1N的H2SO4、HCl、HNO3）＋1.25L石英砂，试样为φ8mm×35mm圆柱体，冲蚀速度为6.2m/s，冲蚀时间为2h。

镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，对钢、钛合金及铝合金表面进行激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究工作正在开展。

激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。

近年十几年来，激光熔敷耐磨涂层处理技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。

7.2　热喷涂耐磨涂层

热喷涂技术是工程零部件表面防护和强化技术，其耐磨损涂层是表面涂层技术的主要应用领域之一。所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状（或丝状、或棒状）金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力（或雾化后加速）并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。

图 7-4是热喷涂原理示意图，表 7-5是热喷涂技术热源的种类，这里主要介绍火焰喷涂和等离子喷涂技术。

图7-4　热喷涂原理示意图

表7-5　热喷涂技术热源的种类

1.火焰喷涂（焊）

火焰喷涂是最早的一种喷涂方法，它是利用氧和乙炔等燃烧火焰将粉末状或丝状、棒状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的一种方法。它可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层，是目前国内最常用的喷涂方法之一。火焰喷涂方法根据使用的材料种类与火焰燃烧特性又分为普通粉末火焰喷涂法、丝材火焰喷涂法、气体爆燃喷涂法与超音速火焰喷涂法。

若采用燃烧火焰将其一次喷融或将喷涂层进行二次重熔（有火焰重熔、感应重熔和炉熔等）的方法则称为喷焊。喷焊涂层由于与基体材料呈冶金结合状态，因而与基体材料的结合强度大大提高，可以应用于冲击大、负荷重的工况下，如连续铸造拉矫辊、热轧矫直辊表面采用镍基自熔合金喷焊涂层进行强化，均获得了十分良好的耐蚀、耐磨和抗热疲劳的强化效果。

2.等离子喷涂

当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压缩电弧时即产生电离而形成电中性的等离子体（是物质除气、液、固态外的第四态）。等离子喷涂是利用钨电极与水冷铜电极（通常作为阳极）之间产生非转移型压缩电弧，获得高温高速的等离子射流进行喷涂的。

等离子弧的能量集中温度很高，其焰流的温度在万度以上，可以将所有固态工程材料熔化，以这种高温等离子体作热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺就是等离子喷涂。国内外已有数百种材料用于等离子喷涂，是应用较普遍的喷涂方法。等离子喷涂涂层的致密度及与基体材料的结合强度均比火焰喷涂涂层和电弧喷涂涂层的高，而且也是制备陶瓷涂层的最佳工艺。(www.xing528.com)

超音速等离子喷涂是在高能等离子喷涂（80kW级）的基础上，利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子射流进行喷涂的方法。20世纪90年代中期美国TAFA公司推出了270kW级大功率、大气体流量（21m3/h）的“PLAZJet”超音速等离子喷涂系统。

7.2.1　热喷涂耐磨涂层工艺

热喷涂工艺过程如下：

工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理

1.表面预处理

为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须经过净化和粗化处理。净化处理的目的是除去工件表面的氧化皮、油渍、油漆及其它污物。净化处理的方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。

粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度，同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法（如车螺纹、滚花）、电拉毛等，其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法。

2.预热

预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度，减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在60～120℃之间。

3.喷涂

喷涂方法的选择主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。对于碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂等等。预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。

4.涂层后处理

喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。如为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理，封孔剂的材料有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料。

为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理（如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等），使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。

有尺寸精度要求的，还要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层形成了不同于一般材料的难于加工的特点，所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。

5.热喷涂耐磨涂层的结合机理与特点

涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层中颗粒与基体之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前认为有以下几种方式：

（1）机械结合

碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，并以颗粒的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。

（2）冶金/化学结合

这是当涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。

（3）物理结合

颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。

热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹杂。涂层结构特点为：

①呈层状；

②含有氧化物夹杂；

③含有孔隙或气孔。

7.2.2　热喷涂涂层材料

热喷涂技术的发展，使可用于喷涂形成涂层的材料极为广泛。一般只要具有物理熔点的材料均可用于喷涂。对于在高温下分解的材料，如一些碳化物，可以与某些金属材料一起制造成复合材料而实现喷涂。

目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等，从形态上分为丝材、棒材和粉末三大类，其中喷涂粉末用途最广，用量也最大，占喷涂材料总用量的70%以上。

表7-6列出了耐磨涂层用喷涂材料。

表7-7列出了几种典型的热喷涂耐磨涂层材料的应用领域。

表7-6　热喷涂耐磨涂层常用粉末、丝材和棒材

表7-7　耐磨涂层用喷涂材料的应用领域

7.2.3　热喷涂涂层的应用

热喷涂涂层应用领域十分广泛，包括利用耐磨损性能的机械、输送领域，利用其耐腐蚀性能的石油化工、金属冶金等化学与冶金领域，利用其耐热障性能的航天航空发动机领域。作为功能材料涂层，也有利用电气绝缘、磁屏蔽、固体电解质、红外辐射等性能的应用。

1.抗磨损涂层

磨损是造成工业部门设备损坏的主要原因之一，可能产生磨损的工作条件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等，抗磨损涂层应该是坚硬的，而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能。Fe、Ni、Co基自熔合金、WC-Co和Cr3C2-NiCr等金属陶瓷以及Al2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述这些性能。采用涂层技术提高工件表面耐磨性的应用非常广泛，如活塞环、齿轮同步环喷涂Mo涂层，纺织机械中的罗拉、导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的Al2O3、Al2O3-TiO2陶瓷涂层，泵和阀门密封面喷涂Cr2O3、WC-Co等耐磨涂层，大马力载重汽车曲轴及大型磨煤机、排风机轴等采用Fe基合金材料进行磨损修复和耐磨强化等。

以航空发动机的耐磨涂层应用为例，据英国RR公司统计，1976年前发动机零部件60%因磨损而报废，采用耐磨涂层后报废率降到30%。航空发动机中常用的耐磨涂层如表7-8所示。

表7-8　发动机中常用的耐磨涂层

热喷涂层在汽车工业中也得到了日益增多的应用。使用最多的是耐磨涂层和封严涂层。汽车上采用热喷涂层进行表面防护和强化的零部件如表7-9所示。

表7-9　汽车零部件喷涂工艺和涂层材料

在冶金工业（如各种轧辊、工模具等部件）、电力工业（如常因发生高温冲蚀磨损的电站锅炉管道）、包装、印刷工业等领域采用热喷涂技术防护后都获得了十分显著的效果。

2.抗腐蚀涂层

长期暴露在户外大气（海洋、工业及城乡大气）和不同介质（海水、河水、溶剂及油类等）环境中的大型钢铁构件，如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等，受到不同程度的环境氧化和侵蚀，采用Al、Zn、Al-Zn合金及不锈钢等涂层进行防护，可以获得长达20年以上的长期防护效果。一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件，可以根据具体工况（如介质、浓度、温度、压力等）选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层材料进行防护。

化工厂用高压往复式计量泵柱塞，采用喷涂Al2O3-TiO2复合涂层代替传统的镀铬工艺，具有优良的耐磨损耐腐蚀性能，其使用寿命提高了6倍。在低应力滑动磨损和磨蚀工况下，几乎所有原有镀铬的制品都可以用热喷陶瓷涂层代替。

3.抗高温氧化和耐热腐蚀涂层

对于一些暴露在高温腐蚀气体中的部件，受到高温、气体腐蚀及气流冲刷的作用，严重影响了设备的寿命和运行的安全。抗高温氧化及高温腐蚀的材料除了必须抗高温氧化和耐腐蚀外，还必须具有与基体材料相似的热膨胀系数，方不会因温度周期变化和局部过热导致涂层抗热疲劳性能下降。用作抗高温氧化和高温腐蚀的涂层材料有：NiCr、NiAl、MCrAl、MCrAlY（M＝Co、Ni、Fe）及Hastiloy和Stellite合金等。这类涂层的典型应用如电厂锅炉四管（水冷壁管、再热器管、过热器管及省煤器管）及水冷壁等的高温氧化腐蚀一直是电力、造纸、化工等工业锅炉用户需要解决的问题。经多年研究、实践证明，采用电弧喷涂Ni-Cr、Fe-Cr-Al、Ni-Cr-Al、45CT等涂层能获得良好的防护作用，使用寿命最长达9年。MCrAlY涂层用于航空涡轮发动机叶片涂层以及作为涡轮发动机燃烧室、火焰筒等用热障涂层的粘结底层。

在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层，具有良好的耐高温、抗氧化、抗黏着、防节瘤和自清理净化功能，既可显著提高炉辊使用寿命，又能生产表面光洁质量优良的钢材。

7.3　其它抗磨表面涂层技术及其应用

1.物理气相沉积（PVD）法

物理气相沉积（phisical　vapor　deposition，简称PVD）是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是离子镀。

20世纪70年代中期所开发的，通过物理气相沉积技术进行的氮化钛（TiN）真空镀膜已成功地应用于刀具和工具领域，之后真空镀膜已被公认能够有效地提高刀具的性能，大幅提高机床的生产能力并降低生产成本。在加工业中，降低生产成本的主要原因不只是由于刀具寿命的提高，更重要的是由于切割性能和质量的提高以及切削速度的提高。一代又一代新涂层，诸如氮碳化钛（TiCN）、氮化铝钛（TiAlN）、氮化钛铝（AlTiN）、氮化铬铝（AlCrN）、氮化硅铝钛（TiAlSiN）等，使得切削技术不断向前飞跃（高速切削，干切削等）。

离子镀是借助于惰性气体辉光放电，使镀料（如金属钛）气化蒸发离子化，离子经电场加速，以较高能量轰击工件表面，此时如通入CO2、N2等反应气体，便可在工件表面获得TiC，TiN覆盖层，硬度高达2　000HV。离子镀的重要特点是沉积温度只有500℃左右，且覆盖层附着力强，适用于高速钢工具，热锻模等。

2.化学气相沉积(CVD)法

化学气相沉积（简称CVD）是利用化学反应的原理，从气相物质中析出固相物质沉积于工作表面形成镀层薄膜的涂层处理工艺。

所谓化学气相沉积（chemical　vapor　deposition，简称CVD），就是利用化学反应的原理，从气相物质中析出固相物质沉积于工作表面形成镀层薄膜的新工艺。通常使用的涂层有：Gr7O3、Al2O3、TiC、TiN、Ti（C.N）等。以上几种CVD的硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数，高的抗磨能力，高的抗接触疲劳能力，高的表面强度，保证表面具有足够的尺寸稳定性与基体之间有高的粘附强度。

化学气相沉积技术是近年来国际上发展和应用较广的一门先进技术，尤其在电子、半导体、机械（特别在切削刀具表面处理方面）、仪表、宇航等领域的应用发展极其迅速。

切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等，为了提高刀具寿命、切削速度、提高加工精度和降低刀具消耗等，大多数都要采用涂层工艺来提高它们的上述性能。

涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3～5倍以上，提高切削速度20%～70%，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20%～50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前生产上常用的涂层方法就是物理气相沉积（PVD）法和化学气相沉积（CVD）法两种方法。

涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金刚石或立方氮化硼）刀片上的涂层刀具。

3.真空熔结耐磨涂层

真空熔结涂层处理技术即是预先把一种涂层合金材料涂覆在某种基体钢材的表面，当加热到一定温度时，合金中的熔相熔融并浸润固态基体钢材的表面，开始了涂层与基体之间的扩散互溶与界面反应，待扩散互溶到一定程度后就会在涂层与基体的内界面形成一个含有双方成份的互溶区，冷凝时涂层与互溶区一起重结晶并与基体牢固地冶金结合成一个整体。

从熔融、浸润、扩散、互溶以至重结晶的这一系列冶金反应，都是在基体钢材表面上发生的，所以真空熔结的全过程，就是在真空保护下的熔融凝结过程，也是一种表面冶金过程，在此过程中发生了一系列非常复杂的物理化学反应。

熔结工艺可以制备各种玻璃陶瓷涂层和合金涂层，也可以把钢材、合金、金属陶瓷、陶瓷、石墨与玻璃等材料熔结复合成一个整体。熔结作为涂层工艺时可以单独采用，也可与电镀、喷涂等其它工艺配合使用，如真空熔结Ni基合金涂层可以有效解决内燃机排气阀的热腐蚀疲劳磨损问题，可用于穿轧无缝钢管的穿管机顶头，钢丝厂的卷丝筒，轧钢厂的导卫板，线材厂的高速线材轧机托辊，以及对各种硬质合金轧辊表面缺陷的修复等。