閥門是氣體、液體、粉末材料輸送系統中的控制元件，具有導流、截流、節流調節、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能．閥門一般應具有：密封性能、強度性能、調節性能、動作性能和流通性能．對大多數閥門來說，密封和強度是設計者著重考慮的問題，密封是首要問題，由于密封性能差或密封壽命短而產生流體的外漏或內漏，會造成環境污染和經濟損失，有毒性的流體、腐蝕性流體、放射性流體和易燃易爆流體的泄漏有可能產生重大的經濟損失甚至人員傷亡，強度不夠則將會導致本體或系統的破壞．近年來，人們從機械學、摩擦學、表面物理、材料科學等學科對閥門的密封面進行了不同程度的研究，取得了一定的成果，但還不能滿足在粉末介質、危險介質、腐蝕介質、高溫環境對閥門提出的長壽命要求．為此，本文分析了閥門的多種表面處理技術，并展望等離子噴涂陶瓷涂層工藝在對中、大型閥門進行表面處理應用的前景．
1 閥門工況及密封面失效情況分析
閥門的種類繁多，其用途和作用不同，為實現特定的目的和功能而采用的閥門材料不同，結構形式也多種多樣．對于不同的材料、不同結構所構成的密封面所采用的表面處理工藝也不同．對于灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、不銹鋼等閥門來說其閥座及啟閉件的密封面材料一般采用銅合金（錳黃銅、鋁黃銅、鋁青銅）、不銹鋼和聚四氟乙烯或橡膠，在一般情況下主要通過熱處理來強化密封表面，銅合金是經800℃左右加熱后淬火工藝強化，不銹鋼常用的熱處理工藝有固溶處理、穩定化處理、除應力處理等工藝．通常，閥門的密封表面處理是在保證結構及設計參數的前提下，通過熱處理方法來提高強度、硬度等性能．由于閥門主要是通過聚四氟乙烯材料來保證密封，通過大量的失效閥門研究分析，發現大多數以聚四氟乙烯為密封材料的閥門的失效都是由于聚四氟乙烯破壞而導致的．
為此必須改善密封材料或密封結構形式來提高閥門的使用壽命．為了實現這一目標，科技工作者從二個方面出發，其一是從結構上考慮；提出了活塞式閥門、雙漸開線閥門、旋塞式閥門、柱塞式閥門等以適應工作條件的需要；其二是從材料上考慮；提出了全陶瓷閥門、陶瓷噴涂密封面閥門、硬質薄膜沉積密封面等全新理念，其主要目的是想把陶瓷等新材料的硬度高、耐磨損，耐高溫等特性應用于閥門上．
2 閥門密封表面處理技術展望
通過大量資料查詢，目前在閥門密封面強化陶瓷涂層的技術主要有二大類，一類是噴涂陶瓷涂層，一類是沉積涂層．
2.1 噴涂陶瓷
噴涂工藝是現代三大新材料中應用、發展最快的新工藝，它將是21 世紀的主導技術1 ．陶瓷噴涂是一種表面改性新工藝，它整體上是利用母體材料性能，進而提高設備性能的一項新工藝．陶瓷材料硬度高、耐磨損、耐高溫，但是陶瓷材料抗沖擊強度低，容易脆斷，在基體表面噴涂陶瓷的作用主要在于強化機械物理性能方面的功效，使得產品的硬度、斷裂韌度、強度等性能得到保持和加強，使得材料的強度為基體材料所支撐，而高硬度性能、耐高溫性及防腐性能由噴涂的陶瓷材料所承擔，使之整體結構強度好、硬度高、耐磨損、耐沖刷、耐防腐．同時，噴涂的陶瓷涂層致密，耐腐蝕、耐高溫性能不低于同種純陶瓷制品，在高沖擊和振動下不產生裂紋和脫落，經噴涂后的制品使用壽命增加3 倍以上1~3 ．陶瓷噴涂層亦很好的阻擋熱源侵蝕到基體內表面，從而起到保護基體和絕熱作用．目前陶瓷噴涂工藝中應用較活躍的技術主要是等離子噴涂、火焰噴涂、電孤噴涂等．
2.1.1 等離子噴涂陶瓷涂層 等離子噴涂是以電弧放電產生的等離子體作高溫熱源, 將送入的陶瓷噴涂粉末迅速熔化、并隨高速射流噴射到閥門的工件表面上，形成耐磨、耐腐蝕覆蓋層，以等離子孤為熱源的熱噴涂，其特點是零件形變小、涂層種類多、工藝穩定．近十幾年來，等離子噴涂技術有了飛速的發展，已開發出了氣穩等離子噴涂、低壓等離子噴涂、水穩等離子噴涂、超音速等離子噴涂、計算機控制的等離子噴涂，根據需要可選用不同的設備來滿足涂層性能的需要．
等離子噴涂所需的粉末粒度通常是30 ~ 100m，這種方法溫度高，噴槍出口處等離子射流區中部溫度達20000K．它可熔化所有金屬、合金及陶瓷材料，射流速度快，在噴嘴出口處可達750 m/s．只要將一些噴涂參數控制合理，例如噴嘴到工件的距離、粉末粒度和類型、粉末的引入位置、弧電壓和電流、輸送粉末的氣體種類等就可得到高質量、性能均勻一致的涂層．新開發的氣穩等離子噴涂，涂層與基體的結合及涂層顆粒之間結合形成除以機械結合為主外，還可視粉末的種類，可產生微區的冶金結合和物理結合．
考慮到陶瓷材料具有極高的硬度、穩定性等特點，研究表明只要陶瓷涂層與基體的結合強度超過一定的數值就可滿足閥門的多數工況，可見，等離子噴涂工藝在閥門的密封面強化上有較大的潛力，特別是在閥門的密封面上覆蓋陶瓷涂層更具優勢7 ．
2.1.2 火焰噴涂 涂層與基體的結合強度是保證涂層優良性能在產品使用過程中得到充分發揮的前提. 提高涂層與基體的結合強度、改善涂層質量的途徑主要有兩點：一是提高熱流密度（即提高熱能），這一點在等離子噴涂工藝中被運用；二是提高粒子的運行速度（即提高動能）．
超音速火焰噴涂是提高粒子飛行速度的有效方法．利用一種特殊火焰噴槍獲得高溫、高速焰流用來噴涂陶瓷粉末等難熔材料并得到優異性能的噴涂層．
以氧-燃料氣體為熱源，將噴涂材料加熱到熔化或半熔化狀態，并以高速氣流噴射到經過預處理的基體表面，形成滿足設計要求性能的涂層．與等離子噴涂工藝相比較，超音速火焰噴涂技術較新，其特點是噴嘴出口射流速度大于1370m/s，合理調整噴嘴出口的射流速度和溫度，可控制涂層與基體結合強度和孔隙率．超音速火焰噴涂(HVOF) 技術有如下優點：
（1）由于有較高的沖擊速度，因而涂層的結合強度高，可滿足陶瓷涂層與基體所需的結合強度，結合強度可大于70 Mpa；（2） 可得到低孔隙率的噴涂層，一方面可間接提高結合率，另一方面可使摩擦系數減小，降低磨損率，提高壽命，加強了密封．（3）工藝簡單，控制容易，能得到更均勻一致和重現性好的涂層．特別是涂層質量幾乎與噴嘴到工件之間的距離無關（在噴涂范圍內）.（4）涂層硬度高，一般為WRC70-72（WC/Co）HRC46-48（Ni 基合金）. 但是它的缺點在于：噴涂粉末尺寸大小要求嚴格；由于數倍于音速噴射，噪音大，對操作人員的身體危害大；粉末進入點處火焰溫度約為2800℃，較等離子噴涂低，但火焰長，易使基體材料過熱．對于閥門的噴涂處理溫度不能超過閥門基體材料回火溫度．可見，此項技術在閥門密封面的強化上有一定的局限性．
爆炸噴涂是將一定比例的氧氣和乙炔氣送入到噴槍內，然后再由另一入口將噴涂粉末用氮氣混合送入，在槍內充有一定量的混合氣體和粉末，有電火花塞點火，使氧-乙炔混合發生爆炸，產生熱量和壓力波．噴涂粉末在加速過程中被加熱，撞擊在工件表面，形成致密的涂層．該項技術主要應用在零件的大面積修復上，在閥門密封面上形成特定的形狀不易保證，從而影響密封性能．
2.1.3 電弧噴涂技術
（1）普通電弧噴涂以電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，并以高速噴射到工件表面形成涂層的一種工藝．其特點表現為，涂層性能優異、效率高、節能經濟、使用安全．
（2）超音速電弧噴涂在普通電弧噴涂技術基礎上，通過改進電弧噴槍和電源，新開發的一種表面處理技術．它不但具有普通電弧噴涂技術的主要特點，而且由于其噴涂速度的提高，達到并超過音速，從而使涂層質量明顯改善，結合強度顯著提高，孔隙率大大降低，在耐磨防腐等表面防護，表面處理領域有明顯優于普通電弧噴涂的應用前景．
這2 種噴涂技術對噴涂材料有一定限制，涂層材料主要為金屬基材料、而且材料形狀為絲狀．對將陶瓷材料與金屬材料的性能整合，以整體提高閥門的耐磨性、耐腐蝕、耐高溫效果相對困難．不能將陶瓷材料制成絲狀，而且大多數陶瓷材料不導電，實施較困難．
2.2 沉積涂層
隨著現代科學技術的發展，表面處理技術也得到較快的發展，氣相沉積是其中的代表技術之一，氣相沉積技術按其成膜機理可分為化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子氣相沉積、低溫氣相沉積等幾大類．近年來，物理氣相沉積工藝發展迅猛，其主要技術有：真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜．濺射鍍膜包括：二級濺射鍍膜、射頻濺射鍍膜、磁控濺射鍍膜反應濺射、三級濺射、脈沖激光沉積．
物理氣相沉積是在真空下，通過真空蒸鍍、浸射或離子鍍滲方式產生涂層．采用物理氣相沉積技術中的磁控濺射工藝在某閥門表面強化處理上的應用研究，物理氣相沉積技術表現出如下幾個方面的優點：（1）使基體的溫升較低，不會超過基體的回火溫度，減小了形變的幾率.（2）涂層有極高的硬度，增強了耐磨性.（3）涂層同基體有極高的結合強度，涂層不會脫落.（4）涂層薄臘的粗糙度直接與基體的表面粗糙度相關，從而可獲的較低摩擦率和較低的磨損系數.（5）能涂敷復雜的型面，涂層薄膜極薄，不需加工，保證形位精度．
物理氣相沉積存在有如下缺點：（1）沉積速率低、費用高.（2）沉積層一次沉積的涂層厚度不能太厚，增加了工藝的復雜性.（3）實施的材料種類少．但整體來說，其不需加工性在保證密封面的形狀有較大優勢，可見隨著物理氣相沉積的發展，該工藝在閥門密封面的處理上也具有較好的應用前景．
2.3 用于強化閥門密封面的陶瓷涂層材料、工藝及研究方向
考慮到閥門大多數情況在干摩擦狀態工作,陶瓷材料的熱傳導性差, 熱膨脹系數與基體也存在一定的差別, 綜合分析各方面的情況，認為Cr2O3 是較為理想的候選材料之一．主要表現在：（1）Cr2O3 在整個溫度范圍內不發生相變，因而不會因相變而發生體積收縮或膨脹，從而減小了應力產生的機會，使涂層相對不易脫落（. 2）Cr2O3涂層的熱膨脹系數較Al2O3 和ZrO2 等大，與其他陶瓷材料相比，Cr2O3 與鋼鐵最接近.（3）Cr2O3與Al2O3 和ZrO2 等材料相比，熔點較高，具有較強的抗熔著磨損的能力.（4）Cr2O3 涂層密度大、硬度高揚氏模量等方面都比其他材料好．
通過分析閥門的工作狀況，由摩擦學知識可知，閥門在許多情況下都表現為干摩擦，在這種情況下，磨損率在很大程度上取決于配合表面的粘著傾向和粘著程度．粘著本質上是一種在微小接觸面積上發生的固相焊接，接觸面積越大，粘著傾向越強烈，為了提高閥門的使用壽命或延長閥門的更換期，必須進一步改善摩擦副的摩擦學性能．為此，可以從兩方面入手：一方面，提高涂層材料的熔點、導熱率，這使得熱量被吸收，從而不致發生熔著磨損；另一方面想辦法使輸入摩擦系統的能量能夠被彈性變形、塑性變形或相變吸收，使得裂紋不易形成，從而提高抗磨能力5~7 ．
閥門密封面的磨擦形式主要表現為磨粒磨損和粘著磨損. 改善磨粒摩擦可通過提高摩擦副的硬度或塑性變形來對抗磨粒磨損，改善粘著摩損可采用在閥門的配合密封表面改變材料化學特性的方法．在閥門密封面上噴涂陶瓷涂層具有下列功效：（1）減少密封面粘著傾向，密封面為兩種不同性質的材料；（2）提高密封面抗磨損的能力；（3）耐電化腐蝕磨損能力提高．
由于閥門的種類繁多，結構形式多種多樣，不同結構形式需要合適的陶瓷涂層材料來強化，為了進一步提高涂層的摩擦學性能，可以從以下幾個方面考慮：（1）優化出高硬度、高熔點、高密度的涂層材料；（2）通過一些增韌機制，改善陶瓷涂層的韌性，從而整體提高其摩擦學性能；（3）通過加入一些自潤滑材料在陶瓷材料中，使之能具有一定的潤滑效果，從而改善密封面的摩擦學性能；（4）新型復合沉積涂層技術、納米涂層技術、硬質薄膜技術的引入．
2.4 幾種閥門密封面強化工藝應用實例
①號試樣：以45 鋼為基體材料，涂層材料為Cr2O3 的某閥門閥芯采用等離子噴涂工藝后涂層性能為結合強度達35Mpa，孔隙率9％，表面硬度為1540 HV．
②號試樣：以2Crl3 作為基體材料進行磁控濺射工藝后，涂層結構為由納米厚度的氮化碳涂層和過渡金屬氮化物層交替疊加組成多層復合膜．其涂層性質表面顯微硬度為30.5Gpa，劃痕臨界載荷為43N，與球鐵400 配副時的摩擦系數為0.15（干擦條件下），涂層磨損率5.15 × 10 16M3/Nm（20℃常溫條件下）．
③號試樣：2Crl3 為材料制成的閥芯，表面硬度HRC52，表面粗糙度為Ra = 1.6 m．2Crl3是制造閥門芯的常用材料之一．
①、②、③號試樣分別與球鐵QT400 配副組裝成閥門，三種閥門同時裝在某鋼鐵公司第三號煉鋼爐的同一排供碳粉管道上控制碳粉供給，使用結果表明②號閥門的更換率是③號閥門的60％；①號閥門更換率是③號閥門的70％．也就是在三種閥門中②閥門的壽命最長，但目前制造費用相對高一些，①號閥門與②號相近，但后期加工費用相對較高．隨著技術的普及，在不久的將來兩種閥門制造總體費用將下降很多．
總之，通過對閥門工況分析，并結合目前國內外陶瓷涂層發展情況可以看出：（1）環保及企業經濟效益等因素綜合要求必須大幅提高閥門的密封面摩擦學性能；（2）等離子噴涂工藝和物理氣相沉積工藝是提高閥門密封面性能的候選工藝；（3）Cr2O3 是用來強化閥門密封面的較為理想的候選材料之一；（4）為了提高閥門的使用壽命或延長閥門的更換期，必須從閥門結構加以改進，使之能適應陶瓷涂層強化閥門密封面的要求．（5）新型復合型物理氣相沉積在閥門密封面表面強化有較好的前景．
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