中文摘要：

冷喷涂涂层的沉积成型依赖于固态粉末的高速碰撞，要求喷涂粉末必须具备一定的塑性变形能力。由于陶瓷材料塑性变形能力很低，因而目前还未能实现厚度在微米级以上的纯陶瓷冷喷涂涂层的制备。本项目旨在提高陶瓷粉末的冷喷涂沉积能力，依据非晶材料在其过冷液相区呈现超塑性的特点，拟采用机械合金化方法将ZrO2陶瓷粉末表面非晶化，实现沉积冷喷涂陶瓷涂层的目标。研究改性陶瓷粉末的单粒子碰撞行为及其冷喷沉积形成涂层的规律；通过高分辨透射技术观察碰撞界面微观结构，研究热处理对涂层微观形貌及力学性能的影响，阐明与陶瓷粉末表面层变形及相结构转变相关的冷喷涂层沉积机制。本研究将为冷喷涂制备陶瓷涂层提供一个新思路，也为开辟制备超硬功能涂层新途径提供理论和技术支持。

结论摘要：

在冷喷涂过程中，高速气体加速微米粒子，通过高速碰撞致塑性变形在基体表面快速形成高致密度的涂层。碰撞粉末在室温条件下即可以80%以上的沉积效率在基体表面形成孔隙度＜0.1%、结合力＞80MPa且厚度能高达微米级的涂层。通过冷喷涂涂层的该沉积特性不难看出，为获得高粘附性和致密度的涂层，除了粉末入射粒子速度外，需要该粉末粒子或/和基体具备一定的塑性变形能力。然而，由于陶瓷粉末的常温塑性缺失，在冷喷涂过程中需要借助塑性粘结剂（如Al，Zn，Co等金属）来制备陶瓷相增强的复合涂层。但抛开塑性粘结剂，目前还很难制造冷喷涂纯陶瓷涂层。我们以前的研究表明，冷喷涂涂层的沉积过程主要依赖粉末粒子表面300nm-2？m厚度区间内的表面塑性变形过程，且纳米晶及非晶粉末在一定温度和速度条件下呈现很重要的超塑性变形特征。本项目即在此工作的基础上，提出采用陶瓷粉末表面纳米化或非晶化的方法，以期通过提高粉末表面塑性变形能力，从而在冷喷涂过程中获得纯陶瓷涂层。经过在项目支持年度内的大量理论及实验研究，我们获得了对陶瓷粉末表面纳米化及非晶化过程的理解；通过优化冷喷涂参数，获得了冷喷涂ZrO2/CeO2陶瓷涂层。本项目采用溶胶-凝胶法结合机械合金化法对ZrO2陶瓷粉末进行了表面非晶化处理，研究发现，加入CeO2粉末能够大大缩短ZrO2粉末纳米化及非晶化进程，粉末晶粒极限尺寸可降低至10nm以下。采用表面纳米化及非晶化的粉末，在粉末预热300oC时，使用氮气加速获得中等粉末入射速度（一般为800m/s），可在Ni基合金表面沉积20-40？m厚度的ZrO2-CeO2陶瓷涂层。涂层与基体界面的显微结构分析证实了涂层的沉积过程与界面间两相原子间的择优取向过渡相关。此外，Cu-Zr基金属玻璃（非晶态）的单粒子碰撞行为研究表明，在高应变速率变形条件下，非晶态金属玻璃发生了纳米晶化，且随着入射粒子速度的增加，晶化程度增加；在超塑性变形过程中，由于界面的超高冷却速度，非晶结构发生了晶化及再非晶化过程，再非晶化过程中出现了非晶相的分离，在碰撞界面高温带出现成分相异的两非晶区。相分离预示着碰撞过程仍然有足够的时间完成液相间元素扩散，详细反应机制有待进一步研究。本项目研究为冷喷涂制备陶瓷涂层提供了一个新思路，也为开辟制备超硬功能涂层新途径提供理论和技术支持。