陶瓷涂层

陶瓷涂层是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机物为原料，用各种方法涂敷在金属等基材表面而使之具有耐热、耐蚀、耐磨以及某些光、电等特性的一类涂层。它的主要用途是作金属等基材的高温防护涂层。

陶瓷涂层的分类和选用

陶瓷涂层的分类

陶瓷涂层的选用

1.按涂层物质分

2.按涂敷方法分

3.按使用性能分

必须考虑下列因素

1)玻璃质涂层。包括以玻璃为基与金属或金属间化合物组成的涂层、微晶搪瓷等

2)氧化物陶瓷涂层

3)金属陶瓷涂层

4)无机胶黏物质黏结的陶瓷涂层

5)有机胶黏剂黏结的陶瓷涂层

6)复合涂层

1)高温熔烧涂层

2)高温喷涂涂层。包括火焰喷涂、等离子喷涂、爆震喷涂涂层等

3)热扩散涂层。包括固体粉末包渗、气相沉积渗、流化床渗、料浆渗涂层等

4)低温烘烤涂层

5)热解沉积涂层

1)高温抗氧化涂层

2)高温隔热涂层

3)耐磨涂层

4)热处理保护涂层

5)红外辐射涂层

6)变色示温涂层

7)热控涂层

1)涂层与基材的相容性和结合力

2)涂层抵御周围环境影响的必要能力

3)在高温长时间使用时，涂层与基材的相互作用和扩散应避免基材性能的恶化，同时要考虑选择能适应基材蠕变性能的涂层

4)高温瞬时使用的涂层应避免急冷急热条件下发生破碎或剥落

5)选择最适合的涂敷方法

6)选择最佳的适用厚度

7)确定允许的储存期和储运方法

8)涂层的再修补能力

陶瓷涂层的工艺

类  型

特    点

几种典型涂层

(一)熔烧

釉浆法

搪瓷是其典型代表。该方法的优点是涂层成分变化广泛，质地致密，与基材结合良好；缺点是基材要承受较高温度，有些涂层需在真空或惰性气氛中熔烧

溶液陶

瓷法

它是将涂层成分中各种氧化物先配制成金属硝酸盐或有机化合物的水溶液(或溶胶)，喷涂在一定温度的基材上，经高温熔烧形成约1μm厚的玻璃质涂层；如需加厚，可重复多次涂烧。其优点是熔烧温度比釉浆法低，但涂层薄，并且局限于复合氧化物组成

(二)

高温喷涂

火焰喷涂法

它是用氧-乙炔火焰将条棒或粉末原料熔融，依靠气流将陶瓷熔滴喷涂在基材表面形成涂层。其优点是设备投资小，基材不必承受高温，但涂层多孔，涂层原料的熔点不能高于2700℃，涂层与基材结合较差

火焰喷涂氧化铝涂层

涂层原料：质量分数为98%的Al₂O₃，f 2.5mm，棒料

喷涂工艺参数：O₂，0.12～0.20MPa；C₂H₂，0.1～0.15MPa；空气，0.4～0.6MPa性能：涂层气孔率8%～9.5%；涂层抗折强度31～33MPa；涂层热导率(6.4～7.0)×10^-3W/(cm·℃)(在400～750℃范围)；涂层线胀系数7.4×10^-6℃^-1(在20～1000℃范围)；氧化气氛中长期使用最高温度1200℃，瞬时温度低于2000℃

用途：隔热、防热、耐磨零部件，如柴油机活塞、阀门、汽缸盖，熔炼金属用坩埚内表面，铸造合金泵、柱塞、高温滚筒等

等离子喷涂法

它是用等离子喷枪产生的1500～8000℃高温，以高速射流将粉末原料喷涂到工件表面；也可将整个喷涂过程置于真空室中进行，以提高涂层与基材的结合力和减少涂层的气孔率。它适用于任何可熔而不分解、不升华的原料，基材不必承受高温，喷涂速度较快，但设备投资较大，又不太适用于形状复杂的小零件，工艺条件对涂层性能有较大影响

等离子喷涂涂层

1)Al₂O₃涂层：用于耐磨、耐蚀、硬度较高、电绝缘、低热导、抗急冷急热性零部件

2)Cr₂O₃涂层：用于高温耐磨、耐蚀零部件

3)Al₂O₃+TiO₂涂层：用于耐磨、耐蚀零部件

4)WC+Co涂层：用于高温耐磨、耐蚀零部件

5)Cr₃C₂+NiCr涂层：用于高温耐磨、耐蚀零部件

6)TiO₂+ZrO₂+Nb₂O₅涂层：用于红外加热元件的涂层

7)ZrO₂+NiO+Cr₂O₃涂层：用于红外加热元件的涂层

8)ZrO₂+金属涂层：用于低热导、抗急冷急热的零部件

9)ZrO₂涂层：用于隔热、抗金属熔体侵蚀的零部件，也可用于一些生物体的表面层

10)生物玻璃涂层：用于生物体的表面层

11)羟基磷灰石涂层：用于生物体的表面层

12)NiCr、NiAl、NiCrAly涂层：常用于金属基材与陶瓷涂层之间的过渡层

爆震喷涂法

它是用一定混合比的氧-乙炔气体在爆震喷枪上脉冲点火爆震，即以脉冲的高温(约3300℃)冲击波，夹带熔融或半熔融的粉末原料，高速(800m/s)喷涂在基材表面。其优点是涂层致密，与基材结合牢固，但涂层性能随工艺条件变化大，设备庞大，噪声达150dB，对形状复杂的工件喷涂较困难

爆震喷涂涂层

(1)Al₂O₃涂层

气孔率1%～2%；抗折强度132MPa；线胀系数7.0×10^-6℃^-1(70～1800℃范围)；显微硬度1000～1200HV(载荷2.95N)；与1Cr18Ni9不锈钢基材结合强度23.1MPa；氧气氛中最高使用温度1000℃。用于耐磨、耐蚀、抗氧化零部件

(2)WC+(13%～15%)Co金属陶瓷涂层

气孔率0.5%～1.0%；抗折强度590～657MPa；线胀系数8.1×10^-6℃^-1(70～1000℃范围)；显微硬度1150～1250HV(载荷2.95N)；氧气氛中最高使用温度500～550℃。用于耐磨、抗冲击、抗急冷急热性的零部件

(三)

热扩

散

气相或

化学蒸

气沉积

扩散法

它是将涂层原料的金属蒸气或金属卤化物经热分解还原而成的金属蒸气，在一定温度的基材上沉积并与之反应扩散形成涂层。其优点是可以得到均匀而致密的涂层，但工艺过程需在真空或控制气氛下进行

热扩散涂层

它主要是难熔金属及其合金的硅化物涂层和高温合金的铝化物涂层，共同特点是防护金属基材而使之具有高温抗氧化性。例如

(1)钼及钼合金的二硅化钼涂层

钼及含钛的钼合金，用气相热扩散法，在1000～1250℃含质量分数为40%的SiCl₄的氢气中热扩散10～240min，基材表面形成MoSi₂涂层

(2)铌合金的热扩散硅化物涂层

Nb-10W-25Zr的铌合金用S-20Cr-20Fe料浆在真空(0.1Pa)、137℃热扩散1h，得到厚约90μm的多元硅化物涂层；外层的NbSi₂为主相，中间层为复杂硅物相，内层以Nb₅Si₃为主相

(3)钽合金的热扩散硅化物涂层

Ta-10W合金用Si-20Ti-10Mo料浆在真空(0.1Pa)、��1370～1400℃热扩散1h，得到厚约100μm的硅化物涂层

(4)铁基合金的铝化物涂层

铁锰铝铸造合金(Fe基，其他合金的质量分数为：Al3.3%，Mn30%，W+Mo+V+Nb5.95%，C0.4%，B0.1%，RE0.15%，Si＜0.35%，P+S＜0.035%)采用40铁铝粉(Fe50%、Al50%)、10%Al、50%Al₂O₃料浆(外加2%硝化纤维素，与适量的稀释剂丙酮-酒精，一起球磨混合50h)，在氩气包箱内经700℃、10h热扩散，得到20～25μm的多元铝化物涂层，外层以FeAl₃相为主，中间层以FeAl和Fe₃Al为主相，内层以Fe₃Al相为主

(5)K₃镍基高温合金的铝化物涂层

K₃镍基高温合金(Ni67%，Al5.6%，Cr10.4%，Ti2.7%，Fe0.22%)用50%Al、50%Fe的铁铝粉(加质量分数为1%～3%的NH₄Cl)在氩气包箱中950℃热扩散90min，这样的粉末包埋渗涂法处理后得到厚约20～40μm的铝化物涂层。它是单一层，以Ni₂Al₃及NiAl为主相

(6)钢和不锈钢的热扩散铝化物涂层

可用粉末包埋热扩散、液相热扩散、喷涂铝后的热扩散等方法得到不同厚度的铝化物涂层，用于各种耐温、耐蚀零部件

固相热

扩散法

(粉末包埋渗

镀法)

是将原料粉末与活化剂、惰性填充剂混合后装填在反应器内的工件周围，一起置于高温下，使原料经活化、还原而沉积在工件表面，再经反应扩散形成涂层。其优点是设备简单，与基材结合良好，但涂层组成受扩散过程限制

液相扩

渗法

它是将工件浸入低熔点金属熔体内，或将工件上的涂层原料加热到熔融或半熔融状态，使原料与基材之间发生反应扩散而形成涂层。其优点是适合于形状复杂的工件，能大量生产，但涂层组成有一定的限制，需进行热扩散及表面处理附加工艺

流化

床法

它是涂层原料在带有卤素蒸气的惰性气体流吹动下悬浮于吊挂在反应器内的工件周围，形成流化床，并在一定温度下，原料均匀地沉积在工件表面，与之反应扩散，形成涂层。流化床加静电场还可进一步提高涂层的均匀性。这种方法的优点是工件受热迅速、均匀，涂层较厚、均匀，对形状复杂的工件也适用。其缺点是需消耗大量保护气体，涂层组成也受一定的限制

(四)低温

烘烤

它是将涂层原料预先混合，再与无机黏结剂或有机黏结剂及稀释剂等一起球磨成涂料，用喷涂、浸涂或涂刷等方法涂敷在工件表面，然后自然干燥或在300℃以下低温烘烤成涂层。其优点是设备、工艺简单，化学组成广泛，基材不承受高温，基材与涂层之间有一定的化学作用而结合较牢固，但含无机黏结剂的涂层一般多孔，表面易沾污，含有机黏结剂的涂层一般耐高温性能较差

低温烘烤陶瓷涂层(又称陶瓷涂料)

(1)热处理保护陶瓷涂料

例如1306高抗氧化防脱碳陶瓷涂料，是用氧化铝粉(约45份)、氧化硅粉(约45份)、碳化硅粉(约10份)、硅酸钾(约10份)与水球磨混合成涂料，用喷、浸、刷等方法涂敷在去锈脱脂的干燥工件表面，形成厚0.1～0.3mm的涂层

(2)高温隔热陶瓷涂料

例如用刚玉、镁砂、氧化铬等粉末作陶瓷基料，加磷酸铝黏结剂和水，混合后涂敷于玻璃钢表面，在100～200℃固化成涂层，能在2000℃下瞬时使用

(3)示温变色陶瓷涂料

有单变色型、脱水变色型、多变色型等。例如用镉红、锶黄、氧化铝、偏硼酸钠、碳酸钡、三氧化二钴作基料，加环氧改性有机硅树脂(黏结剂)和二甲苯或二甲苯与异丁醇(稀释剂)，配成多变色型陶瓷涂料，220℃时绿变棕；550℃时红棕变红黄；550～600℃时红黄变青黄；600～700℃时青黄变浅棕；700～800℃时浅棕变浅绿；800～900℃时浅绿变蓝绿

(4)红外辐射陶瓷涂料

它以红外波发射率较高的陶瓷粉末为基料，以水玻璃或有机硅树脂为黏结剂，水或有机溶液为稀释剂，均匀混合形成涂料，涂敷于金属、陶瓷或耐火材料表面。这种涂层有明显的节能效果。具体配方较多，下表为某些因素对红外辐射涂料性能的影响

(五)热解

沉积

它是将原料的蒸气和气体在基材表面上高温分解和化学反应形成新的化合物，定向沉积形成涂层。其优点是涂层与基材结合良好，涂层致密，但基材需加热到高温，仅适用于耐热结构基材，并且涂层内应力高，需退火

某些因素对红

外辐射涂料性

能的影响

黏结剂含量对涂

料性能的影响

(基料为氧化铁)

氧化铁∶水玻璃∶水

(质量比)

400℃时法向发射率(红外分波段)ε

全辐射

1～14μm

1～8μm

1～4μm

1∶1∶0

0.88

0.89

0.86

0.79

4∶3∶0

5∶2.5∶1

20∶5∶9

0.83

0.80

0.76

0.82

0.77

0.72

0.80

0.74

0.69

0.67

0.59

0.47

基料种类对涂料性能的影响(黏结剂为水玻璃)

碳化硅

0.87

0.87

0.86

0.78

氧化铁

0.85

0.84

0.82

0.78

氧化铁经1000℃

煤气充分接触热处理

0.95

0.94

0.93

0.92

涂层厚度对ε的影响

层厚30μm，ε约0.80；层厚60μm，ε约0.86；层厚＞70μm，ε约0.88

注：陶瓷涂层种类很多，应用广泛，此处仅简略介绍几种典型的高温无机涂层。