塗層技術作爲一(yī)種常見的表面處理技術，廣泛滲透于各行各業，它們在提升材料性能、延長使用壽命，拓展材料功能上發揮着關鍵作用。在衆多塗層制備技術中(zhōng)，等離(lí)子噴塗（PS）憑借高效和噴塗工(gōng)件形狀尺寸不受限制等優點備受關注，它利用氣體(tǐ)電(diàn)離(lí)産生(shēng)的高能量将噴塗粉末加熱至熔融或半熔融狀态後，随高速等離(lí)子射流噴射并沉積在噴塗基體(tǐ)表面，最後形成特定功用的噴塗塗層，具有焰流溫度高、能量集中(zhōng)、粒子飛行速度快、熱影響區小(xiǎo)等特點，但等離(lí)子噴塗過程中(zhōng)容易出現高熔點硬質相未完全熔化的情況，導緻塗層組織粗大(dà)、不均勻的問題，在一(yī)定程度上影響着塗層的力學性能。爲了應對這一(yī)難題，與高溫自蔓延合成技術結合的反應等離(lí)子噴塗應運而生(shēng)。
反應等離(lí)子噴塗技術原理
反應等離(lí)子噴塗技術集傳統等離(lí)子噴塗和自蔓延高溫合成于一(yī)體(tǐ)，反應合成和塗層的沉積同步進行。它利用等離(lí)子焰引發粉末原料之間或原料與周圍氣氛間的自蔓延反應，形成新相，最終在基體(tǐ)表面沉積形成具有與原料不同相組織的塗層。由于自蔓延反應的引入，反應等離(lí)子噴塗技術相比傳統等離(lí)子噴塗更具優勢：
自蔓延反應原理
1、可在遠低于高熔點硬質相的熔點溫度下(xià)實現塗層的反應制備。在噴塗過程中(zhōng)，自蔓延反應使在遠低于陶瓷相熔點的溫度下(xià)引發反應成爲可能，降低了高熔點硬質塗層噴塗的功率要求和噴塗難度。
2、可制備出組織均勻的塗層。自蔓延反應放(fàng)出的熱量與等離(lí)子弧焰流的熱量相互疊加，使得噴塗粉末中(zhōng)高熔點硬質也可輕松加熱成熔融狀态，避免了傳統等離(lí)子噴塗因高熔點硬質相爲完全熔化導緻的塗層組織粗大(dà)、不均勻等問題。
3、可實現納米塗層的制備。當粉末發生(shēng)自蔓延反應熔化成液滴狀撞擊基體(tǐ)時，由于與基體(tǐ)間存在較大(dà)的溫度梯度，液滴迅速冷卻沉積，導緻析出的晶粒來不及長大(dà)，形成了納米晶，從而制備出更硬、更耐磨的納米塗層。
4、與基體(tǐ)結合度高。反應等離(lí)子噴塗産生(shēng)的新相顆粒直接從液相中(zhōng)析出，顆粒與基體(tǐ)之間的界面潔淨無雜(zá)質，因此新相顆粒可均勻彌散分(fēn)布于基體(tǐ)中(zhōng)，結合強度更高。
5、可避免原料粉體(tǐ)高溫熱分(fēn)解的問題。在傳統熱噴塗技術中(zhōng)，一(yī)些粉體(tǐ)原料容易受熱分(fēn)解，導緻塗層産生(shēng)雜(zá)質相，而反應等離(lí)子噴塗從原料直接合成，從而避免了高溫分(fēn)解現象。
在反應等離(lí)子噴塗的反應合成過程中(zhōng)，因粉末與粉末之間、粉末與氣體(tǐ)之間的接觸狀态不同，有固/氣和固/固兩種反應機理，固/氣反應受限于反應氣體(tǐ)，隻能應用于氮化物(wù)、碳化物(wù)和氧化物(wù)塗層的噴塗，通常采用金屬或合金粉末作爲噴塗材料。固/固反應主要基于溶解析出機制，即随着高熔點固相的溶解，直接在液相中(zhōng)反應析出均勻形核或異質形核，形成新相，适用于更廣泛的材料範圍，是反應熱噴塗的主要發展方向，但爲了使粉末在等離(lí)子射流中(zhōng)不易被沖碎，并且可以反應完全，通常要求反應粉末具有較高的結合強度、均勻的粒徑分(fēn)布和緻密的結構。因此，基于固/固反應的噴塗材料以複合粉體(tǐ)爲主。目前主要有以下(xià)方法可制備出用于反應等離(lí)子噴塗技術的複合粉體(tǐ)：
固/固反應等離(lí)子噴塗技術的機理
機械混合法是常用的噴塗粉末制備方法，該方法利用球磨機、攪拌機等機械混合設備，将所選的原料粉末充分(fēn)混合，其最明顯的優點在于成本低廉、操作簡單，因此是工(gōng)業大(dà)規模制備的首選方法，但該方法也存在兩個明顯缺點：一(yī)是機械混合的粉末會出現成分(fēn)不均勻，最後導緻反應生(shēng)成的新相與預期結果不一(yī)緻，從而影響塗層的相關性能。二是由于原料粉末結合度不高，甚至是完全分(fēn)離(lí)的，在飛行過程中(zhōng)幾乎不發生(shēng)反應，即使在到達基體(tǐ)之後反應也是不完全的。針對這個問題，通常可采用粘結劑将反應物(wù)原料粉末機械粘結，增強顆粒的結合度，但粘結劑粘結後的粉末需要進行重新破碎，破碎後的粉末多爲無規則形狀，流動性往往較差。此外(wài)，有機粘結劑在高溫下(xià)不穩定，粘結後的粉末也仍難以承受高速焰流／射流的沖擊。
球磨原理
噴霧造粒法是先将原料粉末與去(qù)離(lí)子水和有機粘接劑混合制成懸浮漿液，再将懸浮液送入霧化器霧化形成微小(xiǎo)液滴，最後霧化液滴經過加熱幹燥後形成球形複合粉末。由于原料均勻混合，且霧化過程中(zhōng)液滴受到表面張力作用，幹燥後的複合粉末成分(fēn)均勻，具有高的球形度和流動性，但在噴霧造粒粉末的制備伴随着液滴中(zhōng)的水分(fēn)蒸發，當液滴内部水分(fēn)過多，或蒸發速度過快，在粉末内部易形成中(zhōng)空結構，緻密度較低，且噴霧造粒法也采用了粘結劑增強粉體(tǐ)結合度，在高溫下(xià)反應粉末的分(fēn)離(lí)現象仍會發生(shēng)。
團聚燒結法一(yī)般是采取先團聚造粒再燒結的策略，如在噴霧造粒法的基礎上，對噴霧幹燥所形成的固态團聚體(tǐ)顆粒進行熱處理以去(qù)除其中(zhōng)的有機粘結劑，去(qù)除了有機粘結劑的顆粒受重力作用，以自由落體(tǐ)的方式依次均勻地經過立式高溫燒結爐的加熱區和冷卻區，從而完成粉末的快速高溫燒結。由于這種方式不再是利用有機粘結劑粘結反應粉末，而是以再燒結的方式促進反應物(wù)間輕微的固相擴散，除了能夠保留原先造粒粉體(tǐ)流動性好、球形度高、成分(fēn)均勻的特點，還極大(dà)地提升了結合強度，避免了反應物(wù)在噴塗過程中(zhōng)發生(shēng)分(fēn)離(lí)。但值得注意的是，在制備過程中(zhōng)，燒結時間和溫度需謹慎控制，避免過高的溫度使粉末在噴塗前就發生(shēng)固相反應而形成新相。
立式高溫燒結爐結構示意圖
（1一(yī)進料口，2一(yī)脫脂粉末，3一(yī)加熱區，4一(yī)冷卻區，5一(yī)出料口）
前驅體(tǐ)熱解法是引入碳的前驅體(tǐ)，前驅體(tǐ)熱解後形成的碳，不僅可作爲反應的碳源促進自蔓延反應的進行，還可作爲粘結劑提高反應粉末的結合強度，阻止了噴塗過程中(zhōng)的粉體(tǐ)分(fēn)離(lí)現象。目前，碳的前驅體(tǐ)主要有瀝青和蔗糖兩種，但瀝青具有較爲複雜(zá)的成分(fēn)，同時需要較高的熱解溫度，因此難以實現工(gōng)業化應用。而蔗糖結構簡單，熱解溫度低，是較理想的前驅體(tǐ)材料。
以蔗糖爲碳源制備的TiC增強Fe36Ni合金複合粉末的SEM圖和截面形貌圖
包覆法的典型結構爲核殼結構，是利用化學鍍等技術在活化後芯材上包覆一(yī)層金屬或陶瓷硬質外(wài)殼。這種方法不僅能夠将兩種具備不同性能優勢的材料結合在一(yī)起，還能避免芯材過早熔化，使反應過程難以控制。但一(yī)般來說，這種方式制備的複合粉體(tǐ)硬質包覆層較薄，可能會影響新相的形成，從而影響噴塗塗層的性能。通常可考慮采用多層包覆的策略，形成更爲堅固的包覆結構。
Mo包覆NiCr複合粉末的截面和表面形貌
機械合金化就是将欲合金化的元素粉末按一(yī)定配比進行機械混合，在高能球磨機等設備中(zhōng)長時間運轉，将回轉機械能傳遞給粉末，同時粉末在球磨介質的反複沖撞下(xià)，承受沖擊、剪切、磨擦和壓縮多種力的作用，成爲彌散分(fēn)布、具有極大(dà)表面活性的超細粒子，這些超細粒子會發生(shēng)塑性形變并被冶金結合在一(yī)起形成複合粉體(tǐ)。這種方式制備的複合粉體(tǐ)結合強度極高，能使反應物(wù)之間充分(fēn)接觸，但存在無規則形狀、流動性差的典型特征。同時，時間成本高、難以進行規模化生(shēng)産的問題也限制了其在工(gōng)業上的應用。
機械合金化原理
相關閱讀：
反應等離(lí)子噴塗技術将高溫自蔓延合成與傳統等離(lí)子噴塗技術有機結合到一(yī)起，充分(fēn)發揮了兩種技術的優勢，其中(zhōng)基于固/固反應機理的噴塗方式因不受反應氣體(tǐ)限制，能夠在更廣泛的基體(tǐ)材料上制備結合度高、組織均勻緻密、硬度高的塗層，而這種特殊的反應機理，噴塗材料的粉末通常以具有較高的結合強度、均勻的粒徑分(fēn)布和緻密結構的複合粉體(tǐ)爲主，目前，利用幾種常見的制備方式所獲得的粉體(tǐ)仍存在一(yī)些缺陷，結合兩種或多種方式（如團聚燒結法）進行高性能粉體(tǐ)的制備或許是一(yī)種行之有效的策略。
參考來源：
1、黃清華,陳爽,劉明等.反應等離(lí)子噴塗技術研究現狀[J].材料導報,2023,37(20):
2、孫軒. Ti-Si-C系反應等離(lí)子噴塗塗層組織/性能與形成機理研究[D].北(běi)京科技大(dà)學,2021.
3、史昆,劉天翼,劉時兵等.等離(lí)子噴塗制備典型塗層研究進展[J].鑄造,2023,72(03):
4、胡偉,張振宇,梁補女等.基于大(dà)氣等離(lí)子噴塗的鎳鉻基粉末制備及其塗層組織結構[J].熱噴塗技術,2019,11(02):
5、周維,樊坤陽,黃淙等.燒結溫度對團聚高溫快速燒結WC-10Co-4Cr粉末及其HVOF塗層性能的影響[J].材料導報,2022,36(06):
6、付冠亞,秦豔芳,朱玲豔等.反應等離(lí)子噴塗TiCN塗層顯微結構與性能研究[J].航空制造技術,2019,62(03):
粉體(tǐ)圈Corange整理