阀门是气体、液体、粉末材料输送系统中的控制元件，具有导流、截流、节流调节、防止倒流、分流或溢流卸压等功能．阀门一般应具有：密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能．对大多数阀门来说，密封和强度是设计者着重考虑的问题，密封是首要问题，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，有毒性的流体、腐蚀性流体、放射性流体和易燃易爆流体的泄漏有可能产生重大的经济损失甚至人员伤亡，强度不够则将会导致本体或系统的破坏．近年来，人们从机械学、摩擦学、表面物理、材料科学等学科对阀门的密封面进行了不同程度的研究，取得了一定的成果，但还不能满足在粉末介质、危险介质、腐蚀介质、高温环境对阀门提出的长寿命要求．为此，本文分析了阀门的多种表面处理技术，并展望等离子喷涂陶瓷涂层工艺在对中、大型阀门进行表面处理应用的前景．

      1 阀门工况及密封面失效情况分析

      阀门的种类繁多，其用途和作用不同，为实现特定的目的和功能而采用的阀门材料不同，结构形式也多种多样．对于不同的材料、不同结构所构成的密封面所采用的表面处理工艺也不同．对于灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢、不锈钢等阀门来说其阀座及启闭件的密封面材料一般采用铜合金（锰黄铜、铝黄铜、铝青铜）、不锈钢和聚四氟乙烯或橡胶，在一般情况下主要通过热处理来强化密封表面，铜合金是经800℃左右加热后淬火工艺强化，不锈钢常用的热处理工艺有固溶处理、稳定化处理、除应力处理等工艺．通常，阀门的密封表面处理是在保证结构及设计参数的前提下，通过热处理方法来提高强度、硬度等性能．由于阀门主要是通过聚四氟乙烯材料来保证密封，通过大量的失效阀门研究分析，发现大多数以聚四氟乙烯为密封材料的阀门的失效都是由于聚四氟乙烯破坏而导致的．

      为此必须改善密封材料或密封结构形式来提高阀门的使用寿命．为了实现这一目标，科技工作者从二个方面出发，其一是从结构上考虑；提出了活塞式阀门、双渐开线阀门、旋塞式阀门、柱塞式阀门等以适应工作条件的需要；其二是从材料上考虑；提出了全陶瓷阀门、陶瓷喷涂密封面阀门、硬质薄膜沉积密封面等全新理念，其主要目的是想把陶瓷等新材料的硬度高、耐磨损，耐高温等特性应用于阀门上．

      2 阀门密封表面处理技术展望

      通过大量资料查询，目前在阀门密封面强化陶瓷涂层的技术主要有二大类，一类是喷涂陶瓷涂层，一类是沉积涂层．

      2.1 喷涂陶瓷

      喷涂工艺是现代三大新材料中应用、发展最快的新工艺，它将是21 世纪的主导技术1 ．陶瓷喷涂是一种表面改性新工艺，它整体上是利用母体材料性能，进而提高设备性能的一项新工艺．陶瓷材料硬度高、耐磨损、耐高温，但是陶瓷材料抗冲击强度低，容易脆断，在基体表面喷涂陶瓷的作用主要在于强化机械物理性能方面的功效，使得产品的硬度、断裂韧度、强度等性能得到保持和加强，使得材料的强度为基体材料所支撑，而高硬度性能、耐高温性及防腐性能由喷涂的陶瓷材料所承担，使之整体结构强度好、硬度高、耐磨损、耐冲刷、耐防腐．同时，喷涂的陶瓷涂层致密，耐腐蚀、耐高温性能不低于同种纯陶瓷制品，在高冲击和振动下不产生裂纹和脱落，经喷涂后的制品使用寿命增加3 倍以上1~3 ．陶瓷喷涂层亦很好的阻挡热源侵蚀到基体内表面，从而起到保护基体和绝热作用．目前陶瓷喷涂工艺中应用较活跃的技术主要是等离子喷涂、火焰喷涂、电孤喷涂等．

      2.1.1 等离子喷涂陶瓷涂层 等离子喷涂是以电弧放电产生的等离子体作高温热源, 将送入的陶瓷喷涂粉末迅速熔化、并随高速射流喷射到阀门的工件表面上，形成耐磨、耐腐蚀覆盖层，以等离子孤为热源的热喷涂，其特点是零件形变小、涂层种类多、工艺稳定．近十几年来，等离子喷涂技术有了飞速的发展，已开发出了气稳等离子喷涂、低压等离子喷涂、水稳等离子喷涂、超音速等离子喷涂、计算机控制的等离子喷涂，根据需要可选用不同的设备来满足涂层性能的需要．

      等离子喷涂所需的粉末粒度通常是30 ~ 100m，这种方法温度高，喷枪出口处等离子射流区中部温度达20000K．它可熔化所有金属、合金及陶瓷材料，射流速度快，在喷嘴出口处可达750 m/s．只要将一些喷涂参数控制合理，例如喷嘴到工件的距离、粉末粒度和类型、粉末的引入位置、弧电压和电流、输送粉末的气体种类等就可得到高质量、性能均匀一致的涂层．新开发的气稳等离子喷涂，涂层与基体的结合及涂层颗粒之间结合形成除以机械结合为主外，还可视粉末的种类，可产生微区的冶金结合和物理结合．

      考虑到陶瓷材料具有极高的硬度、稳定性等特点，研究表明只要陶瓷涂层与基体的结合强度超过一定的数值就可满足阀门的多数工况，可见，等离子喷涂工艺在阀门的密封面强化上有较大的潜力，特别是在阀门的密封面上覆盖陶瓷涂层更具优势7 ．

      2.1.2 火焰喷涂 涂层与基体的结合强度是保证涂层优良性能在产品使用过程中得到充分发挥的前提. 提高涂层与基体的结合强度、改善涂层质量的途径主要有两点：一是提高热流密度（即提高热能），这一点在等离子喷涂工艺中被运用；二是提高粒子的运行速度（即提高动能）．

      超音速火焰喷涂是提高粒子飞行速度的有效方法．利用一种特殊火焰喷枪获得高温、高速焰流用来喷涂陶瓷粉末等难熔材料并得到优异性能的喷涂层．

      以氧-燃料气体为热源，将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并以高速气流喷射到经过预处理的基体表面，形成满足设计要求性能的涂层．与等离子喷涂工艺相比较，超音速火焰喷涂技术较新，其特点是喷嘴出口射流速度大于1370m/s，合理调整喷嘴出口的射流速度和温度，可控制涂层与基体结合强度和孔隙率．超音速火焰喷涂(HVOF) 技术有如下优点：

      （1）由于有较高的冲击速度，因而涂层的结合强度高，可满足陶瓷涂层与基体所需的结合强度，结合强度可大于70 Mpa；（2） 可得到低孔隙率的喷涂层，一方面可间接提高结合率，另一方面可使摩擦系数减小，降低磨损率，提高寿命，加强了密封．（3）工艺简单，控制容易，能得到更均匀一致和重现性好的涂层．特别是涂层质量几乎与喷嘴到工件之间的距离无关（在喷涂范围内）.（4）涂层硬度高，一般为WRC70-72（WC/Co）HRC46-48（Ni 基合金）. 但是它的缺点在于：喷涂粉末尺寸大小要求严格；由于数倍于音速喷射，噪音大，对操作人员的身体危害大；粉末进入点处火焰温度约为2800℃，较等离子喷涂低，但火焰长，易使基体材料过热．对于阀门的喷涂处理温度不能超过阀门基体材料回火温度．可见，此项技术在阀门密封面的强化上有一定的局限性．

      爆炸喷涂是将一定比例的氧气和乙炔气送入到喷枪内，然后再由另一入口将喷涂粉末用氮气混合送入，在枪内充有一定量的混合气体和粉末，有电火花塞点火，使氧-乙炔混合发生爆炸，产生热量和压力波．喷涂粉末在加速过程中被加热，撞击在工件表面，形成致密的涂层．该项技术主要应用在零件的大面积修复上，在阀门密封面上形成特定的形状不易保证，从而影响密封性能．

      2.1.3 电弧喷涂技术

      （1）普通电弧喷涂以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺．其特点表现为，涂层性能优异、效率高、节能经济、使用安全．

      （2）超音速电弧喷涂在普通电弧喷涂技术基础上，通过改进电弧喷枪和电源，新开发的一种表面处理技术．它不但具有普通电弧喷涂技术的主要特点，而且由于其喷涂速度的提高，达到并超过音速，从而使涂层质量明显改善，结合强度显著提高，孔隙率大大降低，在耐磨防腐等表面防护，表面处理领域有明显优于普通电弧喷涂的应用前景．

      这2 种喷涂技术对喷涂材料有一定限制，涂层材料主要为金属基材料、而且材料形状为丝状．对将陶瓷材料与金属材料的性能整合，以整体提高阀门的耐磨性、耐腐蚀、耐高温效果相对困难．不能将陶瓷材料制成丝状，而且大多数陶瓷材料不导电，实施较困难．

      2.2 沉积涂层

      随着现代科学技术的发展，表面处理技术也得到较快的发展，气相沉积是其中的代表技术之一，气相沉积技术按其成膜机理可分为化学气相沉积、物理气相沉积、等离子气相沉积、低温气相沉积等几大类．近年来，物理气相沉积工艺发展迅猛，其主要技术有：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜．溅射镀膜包括：二级溅射镀膜、射频溅射镀膜、磁控溅射镀膜反应溅射、三级溅射、脉冲激光沉积．

      物理气相沉积是在真空下，通过真空蒸镀、浸射或离子镀渗方式产生涂层．采用物理气相沉积技术中的磁控溅射工艺在某阀门表面强化处理上的应用研究，物理气相沉积技术表现出如下几个方面的优点：（1）使基体的温升较低，不会超过基体的回火温度，减小了形变的几率.（2）涂层有极高的硬度，增强了耐磨性.（3）涂层同基体有极高的结合强度，涂层不会脱落.（4）涂层薄腊的粗糙度直接与基体的表面粗糙度相关，从而可获的较低摩擦率和较低的磨损系数.（5）能涂敷复杂的型面，涂层薄膜极薄，不需加工，保证形位精度．

      物理气相沉积存在有如下缺点：（1）沉积速率低、费用高.（2）沉积层一次沉积的涂层厚度不能太厚，增加了工艺的复杂性.（3）实施的材料种类少．但整体来说，其不需加工性在保证密封面的形状有较大优势，可见随着物理气相沉积的发展，该工艺在阀门密封面的处理上也具有较好的应用前景．

      2.3 用于强化阀门密封面的陶瓷涂层材料、工艺及研究方向

      考虑到阀门大多数情况在干摩擦状态工作,陶瓷材料的热传导性差, 热膨胀系数与基体也存在一定的差别, 综合分析各方面的情况，认为Cr2O3 是较为理想的候选材料之一．主要表现在：（1）Cr2O3 在整个温度范围内不发生相变，因而不会因相变而发生体积收缩或膨胀，从而减小了应力产生的机会，使涂层相对不易脱落（. 2）Cr2O3涂层的热膨胀系数较Al2O3 和ZrO2 等大，与其他陶瓷材料相比，Cr2O3 与钢铁最接近.（3）Cr2O3与Al2O3 和ZrO2 等材料相比，熔点较高，具有较强的抗熔着磨损的能力.（4）Cr2O3 涂层密度大、硬度高扬氏模量等方面都比其他材料好．

      通过分析阀门的工作状况，由摩擦学知识可知，阀门在许多情况下都表现为干摩擦，在这种情况下，磨损率在很大程度上取决于配合表面的粘着倾向和粘着程度．粘着本质上是一种在微小接触面积上发生的固相焊接，接触面积越大，粘着倾向越强烈，为了提高阀门的使用寿命或延长阀门的更换期，必须进一步改善摩擦副的摩擦学性能．为此，可以从两方面入手：一方面，提高涂层材料的熔点、导热率，这使得热量被吸收，从而不致发生熔着磨损；另一方面想办法使输入摩擦系统的能量能够被弹性变形、塑性变形或相变吸收，使得裂纹不易形成，从而提高抗磨能力5~7 ．

      阀门密封面的磨擦形式主要表现为磨粒磨损和粘着磨损. 改善磨粒摩擦可通过提高摩擦副的硬度或塑性变形来对抗磨粒磨损，改善粘着摩损可采用在阀门的配合密封表面改变材料化学特性的方法．在阀门密封面上喷涂陶瓷涂层具有下列功效：（1）减少密封面粘着倾向，密封面为两种不同性质的材料；（2）提高密封面抗磨损的能力；（3）耐电化腐蚀磨损能力提高．

      由于阀门的种类繁多，结构形式多种多样，不同结构形式需要合适的陶瓷涂层材料来强化，为了进一步提高涂层的摩擦学性能，可以从以下几个方面考虑：（1）优化出高硬度、高熔点、高密度的涂层材料；（2）通过一些增韧机制，改善陶瓷涂层的韧性，从而整体提高其摩擦学性能；（3）通过加入一些自润滑材料在陶瓷材料中，使之能具有一定的润滑效果，从而改善密封面的摩擦学性能；（4）新型复合沉积涂层技术、纳米涂层技术、硬质薄膜技术的引入．

      2.4 几种阀门密封面强化工艺应用实例

      ①号试样：以45 钢为基体材料，涂层材料为Cr2O3 的某阀门阀芯采用等离子喷涂工艺后涂层性能为结合强度达35Mpa，孔隙率9％，表面硬度为1540 HV．

      ②号试样：以2Crl3 作为基体材料进行磁控溅射工艺后，涂层结构为由纳米厚度的氮化碳涂层和过渡金属氮化物层交替叠加组成多层复合膜．其涂层性质表面显微硬度为30.5Gpa，划痕临界载荷为43N，与球铁400 配副时的摩擦系数为0.15（干擦条件下），涂层磨损率5.15 × 10 16M3/Nm（20℃常温条件下）．

      ③号试样：2Crl3 为材料制成的阀芯，表面硬度HRC52，表面粗糙度为Ra = 1.6 m．2Crl3是制造阀门芯的常用材料之一．

      ①、②、③号试样分别与球铁QT400 配副组装成阀门，三种阀门同时装在某钢铁公司第三号炼钢炉的同一排供碳粉管道上控制碳粉供给，使用结果表明②号阀门的更换率是③号阀门的60％；①号阀门更换率是③号阀门的70％．也就是在三种阀门中②阀门的寿命最长，但目前制造费用相对高一些，①号阀门与②号相近，但后期加工费用相对较高．随着技术的普及，在不久的将来两种阀门制造总体费用将下降很多．

      总之，通过对阀门工况分析，并结合目前国内外陶瓷涂层发展情况可以看出：（1）环保及企业经济效益等因素综合要求必须大幅提高阀门的密封面摩擦学性能；（2）等离子喷涂工艺和物理气相沉积工艺是提高阀门密封面性能的候选工艺；（3）Cr2O3 是用来强化阀门密封面的较为理想的候选材料之一；（4）为了提高阀门的使用寿命或延长阀门的更换期，必须从阀门结构加以改进，使之能适应陶瓷涂层强化阀门密封面的要求．（5）新型复合型物理气相沉积在阀门密封面表面强化有较好的前景．