用于高性能Al?O?绝缘涂层的Nano-TiO?卫星粉末：通过大气等离子喷涂技术提高了涂层的密度、附着力和介电强度

《Surface and Coatings Technology》：Nano-TiO 2 satellite powders for high-performance Al 2O 3 insulating coatings: improved density, adhesion and dielectric strength via atmospheric plasma spraying

采用大气等离子喷涂制备Al?O?基纳米TiO?复合涂层，系统研究1.5-5 wt%不同含量TiO?对涂层相组成、孔隙率（降低56.65%）、粘结强度（提升14.24%）及绝缘性能的影响规律。结果表明：TiO?掺杂可优化涂层致密度和微观结构，抑制裂纹生成，虽然α-Al?O?相含量随TiO?增加而减少，但复合涂层综合绝缘性能显著提升。

　　

孔凌杰|王泽新|宋厚生|张卫平|吕伟刚|张俊|多布维·奥莱山大|卢胜|陈良宇

江苏科技大学材料科学与工程学院，中国江苏省镇江市，212100

摘要

为了解决电动机轴承因电腐蚀而导致的损坏问题，将Al₂O₃绝缘涂层应用于内圈和外圈已成为一种可行的解决方案。然而，Al₂O₃涂层存在孔隙率高和附着力低等问题。本研究采用大气等离子喷涂技术，在GCr15轴承钢基材上沉积微米级的Al₂O₃以及含有纳米级TiO₂（n = 1.5 wt%、3 wt% 和 5 wt%）的Al₂O₃-nTiO₂复合粉末，旨在提高涂层的整体性能。系统地研究了沉积温度、涂层微观结构及性能，并探讨了相应的性能提升机制。结果表明，随着TiO₂含量的增加，涂层中的α-Al₂O₃相含量减少（从33.8 vol%降至12.2 vol%）。同时，Al₂O₃-TiO₂复合涂层的微观结构和机械性能均得到了显著改善：涂层孔隙率降低了56.65%，附着力提高了14.24%。尽管α-Al₂O₃相的绝缘性能较好，但TiO₂的添加抑制了涂层中微裂纹的形成，有效填充了孔隙，提高了涂层密度和微观结构性能，从而增强了涂层的绝缘性能。

引言

作为机械设备的关键部件，滚动轴承的性能直接决定了设备及其主机机械的整体质量、运行性能和长期可靠性[1]、[2]。在电机运行过程中，轴电流会流经轴承，导致电腐蚀[3]。当电位差超过轴承润滑膜的击穿电压时，会发生火花放电，产生的高温会导致轴承滚道表面局部熔化，形成凹坑。这些凹坑会加速轴承磨损，降低轴承的可靠性和使用寿命。在严重情况下，凹坑甚至可能导致设备停机。为了有效防止电腐蚀并延长电机使用寿命，研究人员主要采用多种方法，如分流、抑制或阻断轴电流，例如安装绝缘轴承和喷涂绝缘涂层[4]、[5]。由于绝缘轴承的制造成本相对较高，在轴承的内圈和外圈喷涂绝缘涂层是一种更具成本效益和灵活性的改进策略。Al₂O₃陶瓷材料具有高熔点（2054°C）、优异的绝缘性能、高绝缘电阻率（>10¹⁴ Ω·cm）、低热导率和出色的耐磨性[6]、[7]、[8]，已被广泛用于制备耐磨表面改性涂层[9]、吸波涂层[10]、氚屏蔽涂层[11]和电绝缘涂层[12]。目前，Al₂O₃绝缘涂层主要采用溶胶-凝胶法[13]、大气等离子喷涂[12]和溅射技术[15]制备。其中，大气压等离子喷涂（APS）是一种具有高沉积效率、快速喷涂速度和广泛材料适用性的热喷涂方法[12]、[16]、[17]、[18]。APS与Al₂O₃的结合能够制备出具有良好微观结构和较低成本的绝缘涂层。然而，Al₂O₃陶瓷涂层存在硬度高、脆性大、孔隙率高和结合强度低等问题。随着设备的升级和更换，对Al₂O₃绝缘涂层的要求也将进一步提高。

许多因素会影响等离子喷涂涂层的性能，如原材料、工艺参数和基材预热温度[19]、[20]、[21]。为了提高Al₂O₃涂层的绝缘性能，Bu等人[22]研究了Al₂O₃粉末熔化行为对等离子喷涂涂层结构和介电性能的影响。结果表明，当粉末在等离子射流中熔化且没有过度熔化时，可以获得最致密的Al₂O₃涂层。涂层中的纵向裂纹是介电强度降低的主要原因。Dong等人[23]通过研究Al₂O₃涂层的介电性能和微观结构发现，涂层的介电性能与其微观结构特征（包括裂纹、孔隙率和厚度）密切相关。然而，Al₂O₃涂层具有较高的脆性，容易开裂，而采用APS技术制备的涂层通常孔隙率较高。通过向原始粉末中添加适量的金属阳离子氧化物，可以减少这些缺陷[24]、[25]。

为了研究TiO₂对Al₂O₃涂层微观结构的影响，Kwon等人[26]和Jia等人[27]在Al₂O₃基体中加入了不同量的TiO₂粉末。结果表明，所有进料粉末在喷涂过程中都会发生相变。随着TiO₂含量的增加，涂层的耐腐蚀性和热绝缘性能逐渐提高。需要注意的是，过量的TiO₂会降低复合涂层的机械性能和热绝缘性能。Dejang等人[28]在Al₂O₃中加入了不同量的纳米级TiO₂，显著改善了涂层的微观结构和性能。Yang等人的研究[29]表明，随着TiO₂含量的增加，涂层的介电常数逐渐增加，而电阻率则降低。然而，过量的TiO₂掺杂会导致涂层绝缘性能恶化。Pawlowski等人[30]报告称，掺有2 wt%至3 wt% TiO₂的涂层具有更高的密度和体积电阻率。

目前关于大气等离子喷涂Al₂O₃-TiO₂涂层的研究主要集中在它们的机械和热性能上。然而，对其绝缘特性（如介电强度、击穿形态和击穿机制）的系统研究较少。TiO₂具有低熔点、高润湿性和高韧性[31]的特点。作为第二相加入Al₂O₃陶瓷涂层中时，TiO₂可以减少内部孔隙并防止因水分吸收或电荷积累引起的电击穿。然而，TiO₂也具有半导体特性和相对较低的硬度，因此需要在其对Al₂O₃绝缘涂层性能的贡献与其它因素之间找到平衡。

本研究探讨了通过大气等离子喷涂制备的Al₂O₃基陶瓷涂层。通过控制纳米级TiO₂的掺量（1.5–5 wt%）并利用“卫星粉末”技术将TiO₂附着在微米级Al₂O₃颗粒上，系统地研究了复合涂层的相演变、微观结构特征和电性能。重点在于揭示TiO₂含量对机械性能（如附着力）、微观结构特征（如涂层孔隙率和相体积分数）以及绝缘性能（如击穿电压）的影响。这些发现将为高可靠性陶瓷绝缘涂层的成分设计、性能优化和后续研究提供重要方向。

主要原材料

本研究中使用的Al₂O₃粉末由安徽英瑞优彩科技有限公司生产。所用粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像如图1(a)所示，其球形度良好，粒径为15–45 μm。由于球磨对原始粉末粒径有一定影响，本研究中使用的Al₂O₃粉末为经过球磨处理的粉末，球磨参数与Al₂O₃-nTiO₂（n = 1.5 wt%、3 wt% 和 5 wt%）混合粉末的球磨参数一致

所用粉末的形态和元素分布

图3显示了用于喷涂的球磨粉末（原料）的形态及其相应的元素分布。与原始粉末的形态相比，球磨导致原始粉末发生了破碎。如图3(a)所示，研磨球对原始粉末产生了磨损作用，使部分粉末从颗粒表面脱落。随着纳米级TiO₂含量的增加，

结论

本研究利用大气等离子喷涂技术在GCr15轴承钢基材上制备了不同TiO₂含量（1.5 wt%、3 wt%、5 wt%）的Al₂O₃和Al₂O₃-TiO₂复合涂层。系统研究了纳米级TiO₂添加对涂层微观结构、机械性能和电绝缘性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  随着TiO₂含量的增加，涂层中α-Al₂O₃相的比例减少

CRediT作者贡献声明

孔凌杰：撰写——初稿、可视化、数据分析、正式分析、数据整理。 王泽新：撰写——审稿与编辑、资源协调、概念构思。 宋厚生：验证、数据分析、正式分析、数据整理。 张卫平：监督、资源协调、研究支持。 吕伟刚：验证、资源协调、资金获取。 张俊：监督、资源协调、资金获取。 多布维·奥莱山大：监督、项目管理、资金获取。 卢胜：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了“江苏省海外高层次人才引进计划”的财政支持[ BX2022030 ]。