摘要

　　等离子喷涂氧化铝陶瓷涂层因耐磨、耐腐蚀及抗高温氧化性能，在航空航天、半导体设备和机械防护等领域得到广泛应用。然而，涂层与基体间因热物理性能不匹配而产生的热应力，常导致涂层出现裂纹甚至从界面剥离脱落，严重制约其可靠性与使用寿命。本综述旨在系统探讨降低氧化铝陶瓷表面等离子铝熔射脱落的关键技术。通过分析基材预处理、过渡层设计、工艺参数优化以及粉末材料改性等多种策略，并结合具体实验数据与工程案例，深入阐述了提升涂层结合强度与抗热震性能的内在机制。研究结果表明，采用梯度复合涂层结构与优化的喷涂工艺，可显著缓解热应力集中，使涂层结合强度提升超过30%，在严苛热循环环境中展现出卓越的稳定性。

　　1 实验过程：多层化与精细化的涂层构建

　　涂层脱落问题的解决始于精心的实验设计与过程控制。一个完整的抗脱落涂层体系构建，通常包含以下几个关键且环环相扣的步骤。

　　1.1 基材表面预处理：构筑牢固结合的基石

　　基材的表面状态是决定涂层结合强度的首要因素。未经处理的表面可能存在氧化物、油脂或吸附气体，严重影响熔融颗粒的铺展与结合。通用的预处理标准流程包括：

　　喷砂处理：使用刚玉或碳化硅砂砾，以0.4-0.6 MPa的压力对基材表面进行喷砂粗化。此举不仅能彻底清洁表面，更重要的是能形成均匀、锐利的粗糙峰谷，使表面积增大，为涂层提供良好的机械互锁条件。研究表明，经喷砂处理的铝合金表面再沉积涂层，其耐磨体积损失可比未处理表面降低44.8%。

　　清洗与活化：喷砂后需立即进行超声清洗，依次使用丙酮、无水乙醇去除残留的粉尘与油脂。对于某些特殊合金，采用化学活化法（如稀酸或碱液短时浸泡）可进一步去除微观钝化膜，暴露出高活性的新鲜金属表面，有利于形成更强的冶金结合。

　　1.2 过渡层设计：协调热应力的关键缓冲层

　　在陶瓷涂层与金属基体之间引入一层或多层过渡层，是解决两者热膨胀系数（CTE）失配最有效的工程方法之一。过渡层的作用是作为应力缓冲带，通过其适中的CTE和良好的塑性变形能力，吸收并弛豫在喷涂及服役过程中产生的巨大热应力。

　　过渡层材料类型主要功能与特点典型应用场景对结合强度的提升效果

　　金属粘结层 (如NiCrAlY、FeCrAl)塑性好，与金属基体结合力强，能有效缓解热应力。高温服役环境下的不锈钢、高温合金基体。使用NiCrAlY粘结层后，涂层结合强度可超过40 MPa。

　　软金属层 (如纯Al、Al-Si合金)熔点较低，变形能力强，对基体热影响小。聚合物基复合材料（PMCs）、铝合金等耐热性差的基体。在聚合物基体上，Al粘结层可提供5.21 MPa的剪切粘附强度。

　　金属陶瓷梯度层成分从纯金属向纯陶瓷连续渐变，彻底消除宏观界面。承受极端热震载荷的部件，如航空发动机涡轮叶片。相比双层结构，梯度涂层的抗热震循环寿命可提高数倍。

　　例如，在一项针对碳纤维增强聚合物（PMCs）基体的研究中，由于基体无法承受氧化铝颗粒的高温冲击，研究者首先喷涂了一层约40μm厚的纯铝作为粘结层，成功保护了基体，并在此基础上制备了20μm厚的氧化铝工作层，实现了在低熔点基体上的牢固涂覆。

　　1.3 工艺参数优化：精准控制涂层沉积过程

　　等离子喷涂是一个包含多变量的复杂过程，主要参数如电弧电流、主气（氩气）流量、喷涂距离和送粉率等，共同决定了粉末的熔化状态、飞行速度及最终沉积效果。

　　采用正交实验设计法可以高效地优化这些参数。江苏科技大学的研究团队通过该方法系统研究了各参数对氧化铝涂层性能的影响，发现：

　　电弧电流和喷涂距离是影响涂层孔隙率与硬度的最显著因素。电流过低会导致粉末熔化不充分；过高则可能使粉末过热汽化或对基体热输入过大。

　　氩气流量主要影响等离子射流的焓值与速度，进而影响粉末的加热与加速过程。

　　预热道次（即对基体进行预热的扫描次数）能有效降低基体与熔融颗粒间的温差，减少淬火应力，提高结合强度。

　　优化的目标是在确保粉末充分熔化的前提下，尽可能降低基体的受热，以获得致密且内应力较低的涂层。一项研究通过优化，在316L不锈钢上获得了强结合的氧化铝涂层，其在干燥空气和氮气环境中均表现出独特的耐磨行为。

　　1.4 粉末材料改性：从源头改善涂层性能

　　对喷涂粉末进行物理或化学改性，是提升涂层本征性能的根本途径。

　　制备复合粉末：将氧化铝与二氧化钛（TiO₂）、金属铝（Al）等材料复合。例如，Al₂O₃-13%TiO₂（AT13）涂层因其更低的孔隙率、更好的韧性和耐磨性而被广泛使用。添加TiO₂能改善熔融陶瓷的润湿性，使涂层更加致密。另一项研究将金属铝粉与氧化铝复合，发现形成的10%Al-Al₂O₃涂层断裂韧性达到3.1 MPa·m¹/²，其内部的金属相能通过塑性变形桥联裂纹，有效释放层间应力。

　　使用纳米结构粉末：纳米粉末具有更高的表面活性，喷涂形成的涂层中含有大量未熔或半熔的纳米粒子，这些粒子能起到钉扎裂纹、细化晶粒的作用。与传统微米涂层相比，纳米结构AT13涂层的抗热震失效循环次数显著提高。

　　2 结构分析：揭示涂层失效与强化的微观机理

　　涂层能否持久附着，取决于其微观结构的完整性。通过现代分析手段，可以清晰地揭示脱落失效的根源以及各种强化策略的作用机理。

　　2.1 界面结合状态：机械互锁与化学结合的贡献

　　涂层与基体（或过渡层）的结合强度主要来源于两种机制：

　　机械结合：熔融颗粒撞击到经粗化处理的基体表面，迅速凝固并嵌入表面的凹坑中，形成机械锚定。这是等离子喷涂涂层最主要的结合方式。界面的形貌，如粗糙度的均匀性，直接决定了这种结合的牢固程度。

　　冶金/化学结合：当熔融颗粒与基体表面发生局部扩散或微区合金化时，会在界面形成一种原子尺度的结合。例如，在喷涂含铝粘结层时，铝可能与基体中的元素发生相互作用。尽管这种结合范围有限，但它能显著提升结合强度，尤其是在高温下，机械结合可能松弛，化学结合的作用则更为关键。

　　2.2 涂层内应力状态：热应力与淬火应力的博弈

　　涂层内的残余应力是导致其开裂和脱落的直接驱动力，主要来源于两个方面：

　　热应力：由于涂层与基体材料CTE不同，从喷涂高温冷却至室温时，两者收缩不一致而产生的应力。通常，氧化铝的CTE（~8×10⁻⁶/K）远低于钢铁（~12×10⁻⁶/K），冷却后涂层承受拉应力，极易从边缘引发开裂。

　　淬火应力：单个熔融颗粒撞击到相对冷的基体或已沉积涂层表面时，发生的急速凝固收缩所产生的微观应力。

　　通过有限元模拟（如ANSYS）分析发现，在氧化铝涂层与钢基体之间增加一层铝过渡层，可以使涂层内的最大拉应力值下降约25%，应力分布也更趋平缓。金属铝通过其优异的塑性变形能力，有效地弛豫了应力。

　　2.3 微观缺陷与失效起源：裂纹的萌生与扩展

　　等离子喷涂涂层的典型层状结构使其内部天然存在一些缺陷，成为失效的起源：

　　层间未结合区：由于前后沉积的片层之间结合不完美形成的弱连接面。

　　孔隙与微裂纹：熔融颗粒裹挟气体或凝固收缩产生。

　　垂直裂纹：淬火应力释放所产生，有时反而能松弛部分应力，但过多则会削弱涂层。

　　在热震实验中（如600℃⇄室温水淬循环），这些缺陷在循环热应力的作用下会演化。对于无过渡层的涂层，失效往往始于涂层与基体的界面，裂纹迅速扩展导致大面积剥离。对于有过渡层的涂层，失效则更可能起源于陶瓷层内部的片层间裂纹，表现为涂层的局部剥落。这说明过渡层有效强化了界面，将失效模式由脆性的界面剥离转变为更具韧性的涂层内部损伤。

　　3 结论

　　降低氧化铝陶瓷表面等离子铝熔射脱落是一个涉及材料、工艺与结构的系统性工程问题。单一手段难以根本解决，必须采用复合策略：

　　核心策略是应力管理：通过设计与基体和陶瓷层均能良好匹配的梯度过渡层（如金属粘结层或金属陶瓷梯度层），是管理热应力、防止界面失效最有效的方法。

　　工艺优化是质量保障：采用实验设计方法精细调控喷涂参数，确保粉末充分熔化、沉积致密，同时控制基体热输入，是从工艺层面减少涂层固有缺陷和内应力的关键。

　　材料创新是性能突破点：采用纳米复合粉末或开发Al₂O₃-TiO₂等新型复合体系，能从本质上提高涂层的韧性、致密度和抗损伤能力。

　　后处理技术是重要补充：对于已制备的涂层，采用激光重熔等技术可以消除层状结构、闭合孔隙、促使γ-Al₂O₃向稳定的α-Al₂O₃转变，从而将机械结合部分转化为冶金结合，大幅提升性能。

　　展望未来，随着航空航天、半导体制造（如刻蚀机腔体防护）等领域对高性能防护涂层的需求日益增长，开发具有自愈合、自适应功能的智能涂层，以及结合人工智能和大数据技术实现喷涂过程的智能化在线监测与反馈控制，将是该领域的重要发展方向。通过多学科交叉与持续创新，氧化铝陶瓷涂层的可靠性与寿命必将得到进一步提升。