综述：纳米材料基热喷涂涂层技术研究进展

这篇综述系统阐述了纳米材料（NMs）与热喷涂技术（TSC）结合的创新进展，重点分析了HVOF、APS、冷喷涂（CS）等工艺对涂层性能（如耐磨性、耐腐蚀性、热导率）的优化作用，并探讨了其在航空航天、生物医学（如HAp涂层）和能源领域（如YSZ热障涂层）的应用潜力与工业化挑战。

　　

纳米材料基热喷涂涂层技术研究进展

1. 引言

热喷涂技术（TSC）作为表面工程的核心工艺，通过将熔融或半熔融颗粒高速喷射至基体形成层状结构涂层。纳米材料（NMs）的引入显著提升了涂层性能，例如纳米Al₂O₃可将热障涂层（TBC）的热生长氧化物（TGO）层厚度减少30%，而纳米WC-12Co涂层的硬度比传统涂层提高50%。这种结合不仅保留了材料的轻量化特性，还拓展了其在极端环境下的应用场景。

2. 热喷涂工艺分类

2.1 燃烧喷涂工艺
以HVOF（高速氧燃料喷涂）为代表，火焰温度达3000°C，粒子速度1000 m/s，适合制备高密度纳米WC-Co涂层。实验表明，添加7%纳米Y₂O₃的NiCrAlY涂层可使高温腐蚀速率降低40%。

2.2 电喷涂工艺
大气等离子喷涂（APS）通过15000°C等离子焰流制备纳米YSZ涂层，其独特的柱状晶结构使热循环寿命超过500次。真空等离子喷涂（VPS）则适用于生物活性涂层，如纳米羟基磷灰石（HAp）植入体涂层能促进骨细胞生长速率提升25%。

2.3 冷喷涂技术
冷喷涂（CS）在800°C以下工作，完美保留纳米TiO₂的光催化活性，其降解有机物的效率比传统方法高3倍。最新研究显示，冷喷涂增材制造（CSAM）已能修复航空发动机钛合金部件。

3. 关键纳米涂层材料

• 纳米Al₂O₃：降低TGO层应力开裂风险
• 纳米YSZ：热导率较微米级降低50%
• 石墨烯纳米片（GNPs）：使WC-Co涂层摩擦系数下降35%

4. 应用与挑战

在航空领域，纳米涂层使涡轮叶片寿命延长至30000小时。但纳米颗粒释放可能造成肺泡沉积率达70%，需严格防护。2023年全球纳米涂层市场规模预计达107亿美元，但LPPS设备单套成本仍超过200万美元。

5. 未来趋势

研究方向聚焦于：

• 高熵陶瓷涂层（如HfC）的弹性模量提升100%
• 溶液前驱体等离子喷涂（SPPS）制备双层TBC
• 纳米粒子回收率从当前60%提升至90%

该技术正推动从传统防护涂层向智能响应型功能涂层的跨越发展。