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。這是陶瓷和金屬復(fù)合涂層的理想增強體。TiC陶瓷通過與具有良好強韌性、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)用價值。傳統(tǒng)熱噴涂制備陶瓷/金屬復(fù)合涂層時,碳化物增強相通常采用外加復(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)是近年來發(fā)展起來的一類涂層制備技術(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,利用噴涂過程中噴涂材料組元間的反應(yīng)原位合成涂層材料并同時沉積成涂層,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)組元分離問題。采用該復(fù)合粉末通過等離子噴涂沉積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耐沖蝕磨損涂層進行了比較。1復(fù)合涂層耐沖蝕磨損性能本試驗中以TiFe粉(成分見表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。利用美國生產(chǎn)的METCO-7M型等離子噴涂設(shè)備在經(jīng)過噴沙預(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,噴涂前對非噴涂表面進行固體滲鋁,以防止基體材料在沖蝕試驗過程中因氧化增重。通過相同的設(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TiC/Fe-Ni復(fù)合涂層耐沖蝕磨損性能的對比試樣。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型沖蝕試驗機上進行耐沖蝕磨損試驗。試驗條件: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°,沖蝕時間10min,每次沖砂量125g。由于沖蝕磨損試驗條件下涂層的磨損量很少,體積損失難以精確測量。選用精度為0.1mg的BS201S型分析天平稱量每個試樣噴涂前、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,碳化過程中無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,無法在XRD圖中顯示。圖2(a)是復(fù)合粉末的形貌照片,粉末團粒為不規(guī)則狀,但棱角較小、粒度均勻,粉末流動性能較好。圖2(b)是復(fù)合粉末團粒內(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),形成的緊密團粒結(jié)構(gòu)可有效防止在噴涂過程中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,沒有殘留的原料粉末,說明前驅(qū)體碳化技術(shù)所制備的反應(yīng)熱噴涂復(fù)合粉末在噴涂過程中原料粉末不會發(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種類型的區(qū)域:麻點狀的A區(qū)域、淺灰色的B區(qū)域和黑色的C區(qū)域。圖4(b)是麻點狀A(yù)區(qū)域的SEM照片,結(jié)合涂層XRD(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TiC顆粒。在摩擦過程中,亞微米級和納米級增強相顆粒混合均勻分布的復(fù)合強化片層可以兼?zhèn)湮⒚准売操|(zhì)相的顆粒強化作用和納米級硬質(zhì)相的位錯強化機制,增強涂層的耐磨性能。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)合強化片層。均勻彌散分布于金屬粘結(jié)相中的納米級TiC顆粒不僅可以有效地阻止位錯的運動和微裂紋的擴張,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/金屬復(fù)合涂層的脆性。TiC顆粒達(dá)到納米級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TiC晶核,并且來不及長大就被迅速凝固的金屬粘結(jié)相捕獲固化,整個團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)噴涂過程中,一部分復(fù)合粉末團粒熔化后又經(jīng)歷了一個較長的飛行過程,導(dǎo)致TiC在飛行過程中形核,Ti、C原子易于在已形核的TiC晶核上繼續(xù)長大,并相互聚集,形成麻點區(qū)域A片層的亞微米級TiC顆粒的葡萄串狀結(jié)構(gòu)。少量的復(fù)合粉末團粒飛行更長的距離,TiC顆粒的聚集過程持續(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粒子沖擊時表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象,是由多相流動介質(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,沖蝕磨損已經(jīng)成為許多工業(yè)部門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: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,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和納米級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。因為噴涂涂層的層狀結(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)部擴展,當(dāng)裂紋擴展與另一裂紋相遇時,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,并無裂紋產(chǎn)生,說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