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原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Yuan Y, Zheng Y, Yang Q, et al. Plasma-sprayed Al2O3–ZrO2 composite coatings with nano-eutectic structures for wear protection: a novel strategy based on feedstock powder design. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221154
文章DOI: 10.26599/JAC.2025.9221154
1、导读
本文提出了一种通过燃烧合成-雾化技术制备的纳米结构热喷涂原料粉，并利用等离子喷涂构筑了具有纳米共晶结构的Al2O3-ZrO2复合涂层，研究了涂层微观结构、力学性能与耐磨损性能。该涂层具有双峰微观结构，其中部分熔化区域呈现平均相间距65 nm的纤维/片层状共晶结构。得益于PM区域对力学性能的贡献，涂层的硬度和韧性分别达到1008.39 ± 308.54 HV0.2和4.22 ± 0.58 MPa·m1/2，并在6 N、500 rpm的磨损条件下实现5 × 10-5 mm3·N-1·m-1的磨损率。该工作为热喷涂原料设计提供了新思路。
2、研究背景
在航空航天、军事、工业制造等关键领域，陶瓷涂层在磨损、热和腐蚀防护方面的重要性日益凸显。热喷涂纳米结构陶瓷涂层因其成分均匀、结构精细且溅片间结合强度高等优势，在力学和耐磨损性能等方面显著优于传统微米结构涂层。纳米结构涂层的微观结构特征本质上由原料粉体决定。然而，长期以来，此类涂层的构筑严重依赖于再造粒技术制备的微米尺寸粉体，即纳米颗粒经制浆-喷雾干燥获得的团聚态粉体。再造粒粉体常面临疏松多孔、纳米颗粒间结合较弱以及有粘结剂残留等问题，通常需要额外的致密化处理，这进一步增加了工艺的复杂性。此外，此类工艺无法摆脱对成本高昂且对人体有潜在危害的纳米颗粒的需求。更重要的是，由于再造粒粉体的结构特征受纳米颗粒的特性所限制，涂层的微观结构调控十分困难。这些因素严重限制了纳米结构陶瓷涂层的发展和大规模应用。
燃烧合成-空气雾化技术通过Al-O2间的氧化还原反应（燃烧反应）为体系供能，使原料被加热至超过3500K的高温以形成均匀的熔体，进而在空气中发生雾化和快速冷却（冷却速度超过103 K/s）以获得产物。该技术无需外部热源，所得的粉体球形度高且结构精细，具有工艺简单、高效、环保等显著优点，是一种有望突破传统再造粒技术局限性的新型陶瓷原料粉制备工艺。利用该技术制备的Al2O3-ZrO2粉体的粒径主要分布在10-100 μm，粉体内部形成独特的自生的纳米共晶结构，可作为一种有潜力的等离子喷涂纳米结构涂层的原料。
3、文章亮点
(1) 通过燃烧合成-空气雾化技术制备了具有纳米共晶结构的Al2O3-ZrO2复合粉体，进而将其作为等离子喷涂的原料，构筑了一种新型纳米结构陶瓷复合涂层。
(2) Al2O3-ZrO2复合涂层具有双峰微观结构，部分熔化区域内呈现纳米尺寸的纤维/片层状共晶结构。
(3) 基于混合Weibull模型分析了涂层硬度的双峰分布行为，并结合压痕测试和微观表征对比研究了两类特征区域的裂纹扩展模式差异，进而揭示了部分熔化区域对涂层力学性能的增益机制。
(4) 探索了纳米共晶结构涂层的干滑动摩擦磨损行为，揭示了不同载荷下磨损机制的差异。
(5) 通过调控喷涂功率实现了力学和耐磨性能的优化，涂层的显微硬度和韧性分别达到1008.39 ± 308.54 HV0.2和4.22 ± 0.58 MPa·m1/2，在6 N、500 rpm的磨损条件下的磨损率降低至5 × 10-5 mm3·N-1·m-1。
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4、研究结果及结论
本研究通过燃烧合成-空气雾化（CS-AA）技术合成了Al2O3-47.6 wt%ZrO2微粉，进而作为大气等离子喷涂（APS）的原料以构筑陶瓷复合涂层。
图1 CS-AA制备Al2O3-ZrO2粉体及APS制备复合涂层的流程图。
图2 CS-AA制备的Al2O3-47.6 wt.%ZrO2粉体的微观结构特征。
气雾化粉体是高温熔体经快速冷却（冷却速率超过103 K/s）所获得，从而具有良好的球体外形，内部为自生的纳米共晶结构。
图3 APS陶瓷复合涂层的横截面微观结构和元素分布。
图4 APS涂层及其内部的完全熔化区域与部分熔化区域的微观结构。
APS Al2O3-ZrO2复合涂层的结构和成分分布均匀，具有典型的双峰微观结构（Bimodal Microstructure）：由完全熔化区域（FM）和部分熔化（PM）区域组成。与结构单一的FM区域不同，PM区域内部表现为平均尺寸65 nm的纤维/片层状共晶相组成的胞状共晶团簇结构。
图5 APS涂层的不同特征区域的 TEM 表征。
APS涂层中的FM区域主要为非晶相形成的均一结构，而PM区域则为精细的共晶结构，在两者界面处存在着由于喷涂熔滴部分结晶所形成的过渡区域，其典型特征为两相等轴晶粒共存，或为球形ZrO2晶粒嵌在非晶相中。
图6 不同喷涂功率的APS涂层的显微硬度及基于混合Weibull模型分析的硬度双峰分布行为。
图7 相同载荷下FM区域和PM区域内显微压痕的对比。
复合涂层的显微硬度具有双峰分布特征，由于更低含量的非晶、γ-Al2O3及结构缺陷，PM区域显示出相对更高的硬度。
图8 相似体系的热喷涂涂层的显微硬度对比。
APS复合涂层的显微硬度达到1008.39 ± 308.54 HV0.2，且PM区域的硬度可达1438.31 ± 102.19 HV0.2，性能处于先进水平。
图9 APS涂层中FM区域和PM区域内裂纹扩展路径的对比。
结合压痕测试与微观结构表征，揭示裂纹在不同区域内扩展的差异化行为。PM区域内，裂纹频繁偏转，并且精细的共晶晶粒通过诱发晶粒拔出和桥联机制，进一步增强了裂纹扩展过程中的能量耗散。以上结果证实APS Al2O3-ZrO2涂层中的PM区域对涂层的硬度和韧性具有重要贡献。
图10 APS涂层在干滑动摩擦磨损测试中的磨损量和磨损率。
图11 涂层摩损表面的微观结构。
Al2O3-ZrO2复合涂层在干滑动摩擦条件下的磨损机制表现为黏着磨损、塑性变形、溅片间脆性断裂和疲劳断裂等行为组成的混合模式。随磨损载荷提高，疲劳裂纹蔓延导致的溅片内断裂逐渐成为主导的材料失效机制。通过调控喷涂功率以平衡涂层中的缺陷含量（及溅片间结合强度）与PM区域占比之间的取舍关系，在关键喷涂参数CPSP 713（对于功率57 kW）的条件下制备的涂层实现磨损性能的优化，其在6 N、500 rpm条件下的磨损率降低至5 × 10-5 mm3·N-1·m-1。
5、作者及研究团队简介
郑永挺（通讯作者），哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所教授，博士生导师。主要从事燃烧合成、结构陶瓷、纳米复合陶瓷、相变与反应动力学及特种陶瓷粉末合成等领域的教学、科研、产业化推广等方面工作。主持国家 863、自然科学基金等项目十余项，参与国家 863、预研项目等三项。至今已于国内外期刊发表论文100余篇，撰写专著2部，获得国家发明专利29项及国际专利1项。担任多部国际期刊编委，并担任中国机械工程学会（工程陶瓷专业委员会）、中国硅酸盐学会（特种陶瓷分会）等机构的理事。
袁雨晨（第一作者），哈尔滨工业大学航天学院博士研究生，主要研究方向为陶瓷粉体合成、纳米结构陶瓷与陶瓷涂层的制备与性能研究。
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
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