热喷涂陶瓷涂层具有优异的表面特性,在航空航天、汽车、能源、机械制造电子、医学等领域中得到了广泛的应用。但是热喷涂陶瓷涂层的本征脆性常常导致其剥落或断裂失效,从而限制了在特殊工况条件下的应用。为了提高热喷涂陶瓷涂层的强韧性等力学性能,本文提出了纳米粒子强化的纳米复合爆炸喷涂陶瓷涂层微观结构强韧化和叠层宏观结构韧化相统一的新设想,并通过系统的实验和理论研究,将该设想成功地变为现实。 通过湿法球磨、喷雾干燥、热处理和颗粒分级等工艺过程,成功地研制了TiO<,2>纳米陶瓷粒子与Al<,2>O<,3>主相基体颗粒均匀弥散分布、具有高的松装密度和良好的流动性、呈球形或近球形结构、粒度分布为5～45μm的Al<,2>O<,3>/TiO<,2>纳米复合粉体,适合于爆炸喷涂对粉体的技术要求。 传统微米级涂层存在多种尺度分布的微观孔洞及微裂纹等缺陷,呈现明显的非均质分布特性；纳米复合涂层结构致密,具有良好的均质分布特征。主相基质颗粒的纳米化效应是纳米复合陶瓷涂层区别于传统微米级陶瓷涂层最为显著的微结构特征。纳米复合陶瓷涂层主相基质颗粒平均粒径为49nm,而传统微米级陶瓷主相基质颗粒平均粒径大于200nm.纳米异相在主相基质中良好的弥散化效应以及爆炸喷涂射流场的协同作用既能够有效地抑制主相基质晶粒的长大,又能形成大量的纳米级微孔(微裂纹),从而使得主相基质颗粒分化和细化为纳米尺度颗粒。 纳米复合涂层和传统微米级涂层的压痕及划痕力学性能测试结果如表1所示。纳米复合涂层的压痕及划痕力学性能均值特性及其统计学性质明显地优于传统涂层相应的表面和断面。颗粒的纳米化效应、作为主导结构的熔化部分、小尺度孔洞、更好的片层界面嵌合特性及致密的涂层结构是纳米复合涂层压痕及划痕力学性能优于传统涂层的本质原因。 纳米复合涂层和传统微米级涂层的弯曲强度、弯曲弹性模量及压痕断裂韧性等断裂力学性能如表2所示。前者比后者具有更好的断裂力学性能分布特性和更高的裂纹扩展阻力。纳米复合陶瓷涂层颗粒的纳米化效应及爆炸喷涂工艺的协同作用使纳米复合陶瓷涂层中最大临界缺陷尺寸明显减小。纳米复合陶瓷涂层中最大工艺缺陷尺寸减小、微裂纹缺陷类型及小的工艺缺陷尺度分布有助于提高纳米复合陶瓷涂层的强度。三点弯曲及原位拉伸试验结果表明,传统陶瓷涂层呈脆性涂层材料典型的灾难性断裂行为,而纳米复合陶瓷涂层呈“假塑性”的非灾难性断裂行为。主相基质与异质纳米颗粒的热弹性性能的差异所形成的残余应力场能够强化主相晶界,提高裂纹扩展的阻力,诱发穿晶断裂模式,是提高纳米复合陶瓷涂层强韧性的重要机制。微孔(微裂纹)增韧是纳米复合陶瓷涂层主要韧化机制.大量微裂纹的存在将对纳米复合陶瓷中主裂纹扩展形态和路径产生重要影响,使主裂纹发生钉扎、偏转、分叉,并形成大量的二次裂纹,从而增大裂纹扩展能耗,提高纳米复合涂层韧性。这是纳米复合陶瓷涂层具有更高的断裂韧性、强度及裂不同于双层纳米复合涂层的结构特征和断裂行为,叠层结构纳米复合涂层的断面微观结构类似于贝壳珍珠母的层状结构特征,呈现宏观上的非灾难性断裂行为。首先,裂纹在界面层发生了明显地偏转,呈“Z”字型扩展形态；其次,金属软质界面层与陶瓷硬质界面层间存在多条二次裂纹的引发和扩展,有效地分散了涂层内部的断裂能。类似贝壳珍珠母的“简单组合,复合结构”的精细组合的仿生结构设计,从很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质。金属软质界面层与陶瓷硬质界面层物性的差异和叠层结构设计导致界面层裂、界面"桥接"、裂纹多次偏转是叠层涂层断裂行为改善的主要机制。而叠层结构宏观韧化与纳米复合陶瓷微观强韧化机制双重复合效应是改善仿生结构纳米复合陶瓷涂层的脆性和断裂力学行为的有效途径。