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高性能熱噴塗納米陶瓷材料及塗層技術

磨損、腐蝕、疲勞是機械零部件的三大主要失效形式。節能、節材、環保、高效、長壽是對機械零部件提出的基本要求。據統計,80%的機械零部件因磨損失效。我國每年腐蝕損失約1900億元。利用表面工程技術解決磨損及腐蝕問題是非常行之有效的,但有些表面工程技術對環境會造成汙染,對操作者的身體健康有負面影響。

如傳統的電鍍硬鉻技術所得鍍層硬度高、耐磨、耐蝕,並能長期保持表面光亮。然而,電鍍鉻工藝導致嚴重的環境問題。目前,各國對鍍鉻工藝的限制已越來越嚴。比如,美國已將六價鉻的空氣排放標准從0.1mg/m3降低到0.0050=0.0005mg/m3。其實,電鍍硬鉻鍍層的硬度和耐磨性遠不及一些陶瓷好,其工作溫度也只能低于427℃,難適應現代機械高溫、高速下的工作要求。再者,鍍鉻層內易産生穿透性裂紋,可導致基體腐蝕,甚至鍍層剝落。

已有一些塗層技術被證明比電鍍硬鉻更清潔、更有效,諸如物理氣相沈積、化學氣相沈積、激光塗層技術和熱噴塗技術等。其中廣泛應用的熱噴塗技術具有成本低廉、工藝簡單、適于規模化應用的優勢、最被看好作爲電鍍硬鉻的替代技術。

在環保方面,陶瓷首當其沖、功不可沒。隨著納米科技的飛速發展,世界發達國家都把納米陶瓷材料列爲21世紀新材料,投巨資研發高強韌性、高耐磨抗蝕性、高耐溫性能的納米陶瓷新材料。鑒于目前具有微米或亞微米級晶粒尺寸的傳統工業材料幾乎已達到了産品性能的極限,而具有納米數量級晶粒尺寸的納米材料則能賦予産品以奇特而有用的性能。因此,納米材料爲在高技術和國民經濟支柱産業上的應用提供了非常廣闊的發展前景。因爲納米陶瓷材料具有表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應以及宏觀量子隧道效應等,有著常規尺度陶瓷材料所不具有的特殊光、電、熱、磁、力學等特性,可應用于光催化材料、光電轉換材料、結構功能材料、塗層材料,以及作爲環保材料等。

熱噴塗技術是表面工程領域中應用十分廣泛的技術。如今,納米熱噴塗技術已成爲熱噴塗技術新的發展方向。但由于普通納米粉尺寸小、質量輕,易被氣流吹散或被高溫火焰燒蝕掉,故不能直接用于熱噴塗。幾年前研究出的納米粉末的再造粒方法,使具有納米結構的粉末材料能夠用于傳統的熱噴塗噴槍上,從而使制備出納米結構熱噴塗塗層成爲可能。

然而,目前的陶瓷材料普遍存在著脆性大和熱震抗力低這兩大缺點,限制了陶瓷材料的使用範圍。而作爲塗層材料使用,還要考慮到陶瓷塗層與基體材料間的結合強度以及塗層本身的致密性。

上世紀末,美國英佛曼公司采用王鈾發明的納米合金化技術制造出了具有十分優異的強韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能的納米陶瓷塗層。如所開發出的納米結構氧化鋁/氧化钛陶瓷塗層比目前廣泛使用的商用美科130塗層具有十分優異的強韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能。這一在世界上首獲實際應用的熱噴塗納米結構塗層技術被美國海軍稱之爲一項革命性的先進技術,並已被廣泛應用于軍艦,潛艇,掃雷艇和航空母艦設備上的數百種零部件上。2001年,該技術獲得被美國媒體譽爲應用發明諾貝爾獎的世界研究開發百項獎和美國國防部軍民兩用先進技術獎。作爲一種綠色環保技術,這種納米陶瓷塗層是不僅可以替代有汙染的電鍍鉻方法,而且可以大幅度提高材料的表面性能,大幅度提高機械裝備的壽命,大大地降低了能耗,因而用途廣泛。

現在,該技術發明人王鈾已將先進納米陶瓷塗層技術帶回移植國內並進一步創新。2006年11月30日,中國船舶重工集團公司規劃發展部在西安主持召開了“高性能精細納米陶瓷噴塗材料研究”項目驗收暨技術鑒定會,陝西省發改委和科技廳有關領導出席了會議。以著名科學家張立同院士爲主任委員的項目驗收暨鑒定委員會聽取了項目組的研制工作彙報,審閱了全部技術文件,評審認爲該項目技術先進,取得了多項創新成果,成功解決了陶瓷塗層韌性低和抗熱震能力差的兩大難題,與處于世界領先水平的美國海軍在用的熱噴塗納米結構陶瓷粉體材料相比,主要性能達到了同等水平。如所開發出的納米結構氧化鋁/氧化钛陶瓷塗層比目前廣泛使用的商用美科130塗層有著高出3-10倍的耐磨性,高出1倍的抗蝕性,高出1倍左右的斷裂韌性,高出1-2倍的結合強度和抗熱震性能,高出5-10倍的疲勞抗力。

這種納米結構熱噴塗陶瓷塗層用途廣泛,可以應用的零部件包括(但不局限于):潛水艇和艦船零部件、汽車和火車零部件、航空器零部件、金屬軋輥、印刷卷輥、造紙用幹燥軋輥、紡織機器零件、液壓活塞、水泵、內燃機和汽輪機零部件,閥杆、閥門、活塞環、汽缸體、銷子、傳動軸、支承軸、支撐板、挺杆、工具模具、軸瓦、重載後軸柄、凸輪、凸杆,密封件等。 

 


 

 負責人:王鈾教授   E-MAIL:wangyou1954@126.com 

        王鈾,男,漢族,1954年生。現任哈爾濱工業大學材料科學系教授、博士生導師。

王鈾教授是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:/people/show.php?itemid=3289 

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