反應(yīng)熱噴涂icfe-ni復(fù)合涂層的制備及性能研究

反應(yīng)熱噴涂icfe-ni復(fù)合涂層的制備及性能研究

與傳統(tǒng)的陶瓷涂層wc和crec3相比，tic的穩(wěn)定性更好（1100也不分解），硬度和耐候性更高，密度低，系數(shù)小。這是陶瓷和金屬?gòu)?fù)合涂層的理想增強(qiáng)體。TiC陶瓷通過(guò)與具有良好強(qiáng)韌性、耐磨、抗氧化、耐高溫腐蝕等性能的Fe-Ni合金相配合,可以使涂層兼具耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)熱噴涂制備陶瓷/金屬?gòu)?fù)合涂層時(shí),碳化物增強(qiáng)相通常采用外加復(fù)合的方式預(yù)制在噴涂原材料(粉末、絲材等)中,涂層中陶瓷相分布不均勻、顆粒粗大,陶瓷/金屬結(jié)合界面易受污染,大大影響涂層性能。反應(yīng)熱噴涂技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)涂層制備技術(shù),它將材料的原位反應(yīng)合成技術(shù)與傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)相結(jié)合,利用噴涂過(guò)程中噴涂材料組元間的反應(yīng)原位合成涂層材料并同時(shí)沉積成涂層,從而使涂層材料的合成與沉積一步完成。本文作者采用TiFe粉、羥基Ni粉和碳的前驅(qū)體(蔗糖)為原料制備Ti-Fe-Ni-C系反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末,蔗糖熱分解碳化后的碳可牢固粘結(jié)TiFe和Ni粉顆粒,解決了目前國(guó)內(nèi)外普遍添加化學(xué)粘結(jié)劑制粒的反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末在高速焰流下的反應(yīng)組元分離問(wèn)題。采用該復(fù)合粉末通過(guò)等離子噴涂沉積TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層,分析涂層的組織結(jié)構(gòu),檢測(cè)涂層的耐沖蝕磨損性能,并與常用的Cr2C3/Ni-Cr耐沖蝕磨損涂層進(jìn)行了比較。1復(fù)合涂層耐沖蝕磨損性能本試驗(yàn)中以TiFe粉(成分見(jiàn)表1)、羥基Ni粉和蔗糖(碳的前軀體)為原料制備Ti-Fe-Ni-C系反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末。60.5wt%的TiFe粉(d<10μm)、18.0wt%的Ni粉(d<2.5μm)和余量的蔗糖混合制備復(fù)合粉末,具體工藝流程參照文獻(xiàn)。利用美國(guó)生產(chǎn)的METCO-7M型等離子噴涂設(shè)備在經(jīng)過(guò)噴沙預(yù)處理的A3鋼板上沉積TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層,噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表2。采用XRD、SEM等分析涂層的組織結(jié)構(gòu)。沖蝕試樣為20mm×15mm×5mm的A3鋼板,噴涂前對(duì)非噴涂表面進(jìn)行固體滲鋁,以防止基體材料在沖蝕試驗(yàn)過(guò)程中因氧化增重。通過(guò)相同的設(shè)備和工藝噴涂Ti-Fe-Ni-C系反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末和KF-71燒結(jié)型鎳鉻30-碳化鉻復(fù)合粉(北京礦冶研究總院金屬材料研究所)。以Cr2C3/Ni-Cr復(fù)合涂層和20G鋼作為T(mén)iC/Fe-Ni復(fù)合涂層耐沖蝕磨損性能的對(duì)比試樣。在北京裝甲兵工程學(xué)院全軍裝備維修表面工程研究中心參照ASTM6-95標(biāo)準(zhǔn)研制的GW/CS-MS型沖蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐沖蝕磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)條件:大氣環(huán)境,常溫,發(fā)電廠飛灰(磨粒粒度小于300μm),磨粒速度62m/s,攻角選用30°、60°和90°,沖蝕時(shí)間10min,每次沖砂量125g。由于沖蝕磨損試驗(yàn)條件下涂層的磨損量很少,體積損失難以精確測(cè)量。選用精度為0.1mg的BS201S型分析天平稱量每個(gè)試樣噴涂前、后以及沖蝕磨損后的質(zhì)量。在每次沖蝕總砂量和時(shí)間一定的條件下,以涂層沖蝕磨損后的質(zhì)量損失與涂層原有質(zhì)量的比值作為沖蝕失重率表征不同涂層的耐沖蝕磨損性能。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1復(fù)合粉末的形貌和成分分析蔗糖熱分解制備的Ti-Fe-Ni-C系反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末的XRD圖譜如圖1所示,復(fù)合粉末由原料TiFe粉、Ni粉和蔗糖被熱分解后的碳組成,碳化過(guò)程中無(wú)TiC或有害相生成,但蔗糖熱分解碳化后生成的碳為玻璃型碳,無(wú)法在XRD圖中顯示。圖2(a)是復(fù)合粉末的形貌照片,粉末團(tuán)粒為不規(guī)則狀,但棱角較小、粒度均勻,粉末流動(dòng)性能較好。圖2(b)是復(fù)合粉末團(tuán)粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片,細(xì)小的TiFe和Ni原料粉末顆粒被蔗糖熱分解碳化后得到的碳所粘結(jié),形成的緊密團(tuán)粒結(jié)構(gòu)可有效防止在噴涂過(guò)程中TiFe和碳發(fā)生分離,導(dǎo)致反應(yīng)不充分。復(fù)合粉末中原料粉末顆粒細(xì)小、易熔化,且與碳的接觸面積很大,在噴涂過(guò)程中可加快反應(yīng)速率、提高TiC的形核率。2.2復(fù)合粉體涂層的表征圖3是利用Ti-Fe-Ni-C系復(fù)合粉末通過(guò)等離子噴涂制備的TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層的XRD衍射結(jié)果。涂層中除粘結(jié)相(Fe、Ni)固溶體外,生成了大量的TiC,沒(méi)有殘留的原料粉末,說(shuō)明前驅(qū)體碳化技術(shù)所制備的反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末在噴涂過(guò)程中原料粉末不會(huì)發(fā)生分離,TiFe粉與碳充分接觸反應(yīng)生成大量TiC,并形成Fe、Ni固溶的涂層粘結(jié)相。TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)如圖4所示,圖4(a)是涂層的典型組織結(jié)構(gòu)照片,呈現(xiàn)熱噴涂涂層的片層結(jié)構(gòu)。涂層中片層較薄,呈河流狀分布,表明反應(yīng)復(fù)合粉末在自蔓燃反應(yīng)放熱和等離子焰流的雙重作用下,可有效地熔化或軟化,形成典型的熱噴涂組織。涂層中有3種類(lèi)型的區(qū)域:麻點(diǎn)狀的A區(qū)域、淺灰色的B區(qū)域和黑色的C區(qū)域。圖4(b)是麻點(diǎn)狀A(yù)區(qū)域的SEM照片,結(jié)合涂層X(jué)RD(圖3)和EDS(表3)分析,黑色相為生成的TiC顆粒,白色粘結(jié)相為(Fe、Ni)固溶體。A片層中TiC顆粒呈球形或近球形,粒度約為500nm。這種亞微米級(jí)的TiC顆粒以葡萄串狀分布于Fe-Ni合金粘結(jié)相中,并在間隙位置彌散生成大量的納米級(jí)TiC顆粒。在摩擦過(guò)程中,亞微米級(jí)和納米級(jí)增強(qiáng)相顆?；旌暇鶆蚍植嫉膹?fù)合強(qiáng)化片層可以兼?zhèn)湮⒚准?jí)硬質(zhì)相的顆粒強(qiáng)化作用和納米級(jí)硬質(zhì)相的位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制,增強(qiáng)涂層的耐磨性能。圖4(c)是淺灰色B片層的顯微照片,TiC顆粒與A區(qū)域中的納米級(jí)顆粒相同,但粒度均勻,彌散分布于(Fe、Ni)固溶體中,形成了納米結(jié)構(gòu)復(fù)合強(qiáng)化片層。均勻彌散分布于金屬粘結(jié)相中的納米級(jí)TiC顆粒不僅可以有效地阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和微裂紋的擴(kuò)張,提高涂層的硬度和耐磨性,而且可以較好地保留金屬相的塑性,降低陶瓷/金屬?gòu)?fù)合涂層的脆性。TiC顆粒達(dá)到納米級(jí)的原因可能是在等離子噴涂條件下焰流溫度高達(dá)16000℃以上,熔化充分的復(fù)合粉末團(tuán)粒與基體碰撞,106K/s以上的冷卻速度使TiC的形核率急劇提高,形成大量彌散分布的納米級(jí)TiC晶核,并且來(lái)不及長(zhǎng)大就被迅速凝固的金屬粘結(jié)相捕獲固化,整個(gè)團(tuán)粒碰撞變形形成納米結(jié)構(gòu)片層。圖4(d)為涂層中含量較少的黑色C片層顯微照片,C區(qū)域是TiC顆粒聚集區(qū)。在連續(xù)噴涂過(guò)程中,一部分復(fù)合粉末團(tuán)粒熔化后又經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的飛行過(guò)程,導(dǎo)致TiC在飛行過(guò)程中形核,Ti、C原子易于在已形核的TiC晶核上繼續(xù)長(zhǎng)大,并相互聚集,形成麻點(diǎn)區(qū)域A片層的亞微米級(jí)TiC顆粒的葡萄串狀結(jié)構(gòu)。少量的復(fù)合粉末團(tuán)粒飛行更長(zhǎng)的距離,TiC顆粒的聚集過(guò)程持續(xù)發(fā)生,生成TiC顆粒聚集的黑色區(qū)域C片層。2.3涂層耐沖蝕磨損特性沖蝕磨損指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類(lèi)磨損現(xiàn)象,是由多相流動(dòng)介質(zhì)沖擊材料表面造成的。工程中存在的固體粒子沖蝕磨損現(xiàn)象隨處可見(jiàn),沖蝕磨損已經(jīng)成為許多工業(yè)部門(mén)中材料破壞的原因之一。材料的沖蝕磨損與粒子的攻角有密切關(guān)系,可以根據(jù)沖蝕磨損隨攻角變化的規(guī)律把沖蝕破壞分為兩類(lèi):塑性材料沖蝕破壞和脆性材料沖蝕破壞。當(dāng)粒子攻角為20°～30°時(shí),典型的塑性材料沖蝕磨損達(dá)到最大,而脆性材料的最大沖蝕磨損出現(xiàn)在接近90°處。TiC/Fe-Ni、Cr2C3/Ni-Cr復(fù)合涂層和常用耐磨構(gòu)件基體材料20G鋼在沖蝕磨損試驗(yàn)條件下的失重率和攻角的關(guān)系曲線如圖5所示。低攻角下沖蝕磨損機(jī)制主要為磨料顆粒的切向分速度產(chǎn)生的切削效應(yīng),20G鋼為典型的塑性材料,在30°攻角下失重率最大,隨著攻角增大試樣失重率減小。高攻角下沖蝕磨損機(jī)制主要為磨料顆粒的垂直分速度產(chǎn)生的錘擊效應(yīng),導(dǎo)致涂層次表面裂紋的萌生和擴(kuò)展,引起顆?；蚱瑺钔繉觿兟?。Cr2C3/Ni-Cr屬于典型脆性材料,涂層失重率受攻角的影響顯著,隨著攻角增大涂層失重率增加并在90°攻角下達(dá)到最大值。TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層在90°攻角下失重率最大,涂層失重率隨攻角增大而增加,這表明涂層的沖蝕磨損表現(xiàn)出脆性材料的特征。然而,TiC/Fe-Ni復(fù)合涂層失重率隨攻角的變化較小,涂層耐沖蝕磨損性能對(duì)攻角的敏感程度明顯低于Cr2C3/Ni-Cr復(fù)合涂層,表明TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層中大量的亞微米級(jí)和納米級(jí)TiC顆粒的彌散分布可以使涂層具有良好的硬度與塑性的配合。TiC/Fe-Ni涂層在各攻角下的耐沖蝕性能均優(yōu)于Cr2C3/Ni-Cr復(fù)合涂層,而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20G鋼。圖6(a)和6(b)分別是Cr2C3/Ni-Cr和TiC/Fe-Ni復(fù)合涂層在90°攻角下沖蝕磨損后的表面形貌。Cr2C3/Ni-Cr復(fù)合涂層表面出現(xiàn)了較大的片狀剝落,并有明顯的裂紋產(chǎn)生,表明涂層較脆。因?yàn)閲娡客繉拥膶訝罱Y(jié)構(gòu)以及片層間存在的夾雜和孔洞等缺陷,容易形成應(yīng)力集中,因此在大量粒子連續(xù)垂直沖擊下容易形成疲勞裂紋。如果涂層脆性較大,裂紋沿涂層內(nèi)部的亞表面或界面快速向涂層內(nèi)部擴(kuò)展,當(dāng)裂紋擴(kuò)展與另一裂紋相遇時(shí),即造成涂層呈片狀剝落。TiC/Fe-Ni復(fù)合涂層表面沖蝕后主要呈現(xiàn)較小的硬質(zhì)相剝落坑,可以發(fā)現(xiàn)明顯的變形脊,并無(wú)裂紋產(chǎn)生,說(shuō)明涂層具有良好的韌性。沖蝕粒子的垂直沖擊作用使涂層粘結(jié)相發(fā)生了一定的塑性變形,吸收了一定的沖擊功,減少了涂層內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展,當(dāng)硬質(zhì)相被擠壓剝落后,出現(xiàn)了較明顯的變形脊。圖7是3種對(duì)比樣分別在30°、90°典型攻角下的失重率比較圖。反應(yīng)等離子噴涂TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層分別在30°和90°攻角下的耐沖蝕磨損性能是相同工藝條件下制備的Cr2C3/Ni-Cr復(fù)合涂層的1.1倍和1.3倍,20G鋼的2.5倍和1.9倍。3tic/fe-ni合金復(fù)合涂層(1)以鈦鐵粉、羰基鎳粉和碳的前驅(qū)體(蔗糖)為原料,通過(guò)前驅(qū)體碳化復(fù)合技術(shù)制備了Ti-Fe-Ni-C系反應(yīng)熱噴涂粉末。(2)利用等離子噴涂技術(shù)原位合成并沉積了TiC/Fe-Ni合金復(fù)合涂層。復(fù)合涂