在實(shí)際使用中，因零件形狀、大小、材質(zhì)、使用環(huán)境及服役條件等存在千差萬別，要獲得合適的涂層使用性能，須將熱噴涂技術(shù)所涉及到的各個(gè)環(huán)節(jié)綜合在一起進(jìn)行優(yōu)化處理，特別是要注意將噴涂材料與各種熱噴涂工藝的特點(diǎn)結(jié)合起來，內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應(yīng)的噴涂設(shè)備和工藝參數(shù)等，涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理一般要通過生產(chǎn)檢驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)才能確定。在熱噴涂應(yīng)用技術(shù)中，所涉及的涂層結(jié)構(gòu)大體可分為以下四種。
1．單層結(jié)構(gòu)
單層結(jié)構(gòu)涂層是指只需要在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面噴涂單一成分涂層，即可滿足使用性能要求的涂層結(jié)構(gòu)模式。在實(shí)際應(yīng)用中所占比例較大，是常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一，可為基體提供防腐、抗高溫氧化、導(dǎo)電、尺寸修復(fù)、延長使用壽命等功能。所有的熱噴涂工藝，包括普通火焰噴涂、噴焊、電弧噴涂、HVOF、爆炸噴涂、等離子噴涂等均可獲得具有特定性能的單層結(jié)構(gòu)涂層。
2．雙層結(jié)構(gòu)
雙層結(jié)構(gòu)涂層是指采用兩種噴涂材料在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結(jié)構(gòu)，每層具有不同的功能，通常與基體相鄰的涂層稱為粘結(jié)底層，其主要作用是提高基體與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度；外層或表面層稱為工作層或面層，其主要作用是滿足零件所要求的性能。這種結(jié)構(gòu)涂層在實(shí)際應(yīng)用中所占的比例也較大，也是常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一。兩種涂層可采用同一種熱噴涂工藝方法來完成，如采用單一工藝方法，如普通火焰、爆炸噴涂或等離子噴涂來分別噴涂兩種涂層，也可采用不同的熱噴涂方法來完成，如可采用電弧噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層；或先采用超音速火焰噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層，該組合是目前飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用熱障涂層的典型工藝。
3．多層結(jié)構(gòu)
多層結(jié)構(gòu)是指涂層層數(shù)達(dá)三層或三層以上的涂層結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中并不常用，只在特殊工況條件下才采用。
有的多層結(jié)構(gòu)通過采用多種成分涂層來滿足一種性能要求，例如，為了開發(fā)出能夠滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用的長壽命厚熱障涂層，Robert等采用了熱膨脹系數(shù)非常接近的三層結(jié)合底層來降低涂層熱應(yīng)力。由于基體材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之間膨脹系數(shù)屬于逐漸變化的，從而可以大幅度減小ZrO2-Y2O3涂層與基體之間的熱膨脹不匹配性，從而達(dá)到減小熱應(yīng)力、延長使用壽命的目的。
4．梯度結(jié)構(gòu)
在熱障涂層中，由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，這種差異將導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大，并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，材料科學(xué)家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。
1．單層結(jié)構(gòu)
單層結(jié)構(gòu)涂層是指只需要在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面噴涂單一成分涂層，即可滿足使用性能要求的涂層結(jié)構(gòu)模式。在實(shí)際應(yīng)用中所占比例較大，是常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一，可為基體提供防腐、抗高溫氧化、導(dǎo)電、尺寸修復(fù)、延長使用壽命等功能。所有的熱噴涂工藝，包括普通火焰噴涂、噴焊、電弧噴涂、HVOF、爆炸噴涂、等離子噴涂等均可獲得具有特定性能的單層結(jié)構(gòu)涂層。
雙層結(jié)構(gòu)涂層是指采用兩種噴涂材料在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結(jié)構(gòu)，每層具有不同的功能，通常與基體相鄰的涂層稱為粘結(jié)底層，其主要作用是提高基體與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度；外層或表面層稱為工作層或面層，其主要作用是滿足零件所要求的性能。這種結(jié)構(gòu)涂層在實(shí)際應(yīng)用中所占的比例也較大，也是常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一。兩種涂層可采用同一種熱噴涂工藝方法來完成，如采用單一工藝方法，如普通火焰、爆炸噴涂或等離子噴涂來分別噴涂兩種涂層，也可采用不同的熱噴涂方法來完成，如可采用電弧噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層；或先采用超音速火焰噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層，該組合是目前飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用熱障涂層的典型工藝。
3．多層結(jié)構(gòu)
多層結(jié)構(gòu)是指涂層層數(shù)達(dá)三層或三層以上的涂層結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中并不常用，只在特殊工況條件下才采用。
有的多層結(jié)構(gòu)通過采用多種成分涂層來滿足一種性能要求，例如，為了開發(fā)出能夠滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用的長壽命厚熱障涂層，Robert等采用了熱膨脹系數(shù)非常接近的三層結(jié)合底層來降低涂層熱應(yīng)力。由于基體材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之間膨脹系數(shù)屬于逐漸變化的，從而可以大幅度減小ZrO2-Y2O3涂層與基體之間的熱膨脹不匹配性，從而達(dá)到減小熱應(yīng)力、延長使用壽命的目的。
4．梯度結(jié)構(gòu)
在熱障涂層中，由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，這種差異將導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大，并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，材料科學(xué)家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。
