（材料物理与化学专业论文）金属间化合物复合涂层的制备及性能研究.pdf

金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 捅要 本试验利用火焰喷涂感应加热重熔复合工艺在4 5 钢基体上制备了f e - 金 属间化合物复合涂层，并对复合涂层的制备工艺、后续退火工艺、微观结构及力 学性能和摩擦学性能进行了研究。具体步骤如下： 采用手工混料方法制备喷涂用混合粉料。然后火焰喷涂感应加热重熔在4 5 钢基体表面制备了f e 舢金属间化合物复合涂层。 采用正交设计法对f e 金属间化合物复合涂层进行退火后处理，设置显微 硬度和质量磨损率两个指标；温度和时间两个影响因素。对退火后的涂层进行力 学性能显微硬度及摩擦学性能质量磨损率测试。分析得到显微硬度的优化退火 工艺为：退火温度7 5 0 ，保温时间1 5 h ；质量磨损率的优化退火工艺亦为：退 火温度7 5 0 ，保温时间1 5 h 。从而得到f e 砧金属间化合物复合涂层的优化退 火工艺为：退火温度7 5 0 ，保温时间1 5 h 。通过对涂层的磨屑及磨损后试样表 面形貌分析可知涂层的主要磨损机制开始为粘着磨损；随着摩擦磨损过程的进 行，磨损机制转变为磨粒磨损。 采用x 射线衍射仪c 心) 对f e a l 金属间化合物复合涂层进行成分分析。结 果表明，f e a l 金属间化合物复合涂层中主要相为f e a 1 金属间化合物相( 包括 f e 舢、f e 3 础及0 【f e 相) 和碳化物析出相。涂层中还存在少量a l 、f e 的氧化物 a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 。 采用金相显微镜、扫描电子显微镜( s e m ) 研究f e 趟金属间化合物复合涂层 的组织。金相组织观察表明，退火后涂层组织更均匀，且涂层与4 5 钢基体呈冶 金结合。由s e m 二次电子相及背散射电子相分析知：f e 刖金属间化合物复合 涂层组织分为固溶体区( 包含金属间化合物的固溶体区和不包含金属间化合物的 固溶体区) 、条块状析出物区、氧化物区、孔隙区。 采用透射电子显微镜( t e m ) 进一步确定f e 舢金属间化合物复合涂层的相组 成。t e m 分析知涂层中的主要相为：金属间化合物相如f e 3 a l 、f e a l 及0 【一f e ； 碳化物相如c r 2 3 c 6 ；氧化物相如甜2 0 3 。另外，涂层中有位错等缺陷，还观察到 涂层中的位错塞积及交滑移等位错运动现象。 本试验在4 5 钢基体上制得f e 砧金属间化合物复合涂层，并对其力学性能、 摩擦学性能及显微结构和相组成进行了研究。期望使f e a l 金属间化合物复合涂 层代替n i 基、c o 基自熔合金涂层，从而节约战略金属n i 、c o 。本文为将来f e 砧 金属间化合物复合涂层的生产应用提供了一定的理论基础。 关键词：感应重熔；正交试验；退火；性能；显微组织 i l r e s e a r c ho np r e p a r a t i o na n dp r o p e n i e so fi n t e m e t a l l i c c o m d o u n dc o a t i n gl o m d o u n qi 。o a n n g a b s t r a c t f e a li i l t e m e t a l l i c c o m p o u l l dc o a t i n g w a s p r e p a r e d b y f l a m e s p 瑚【y i n g i n d u c t i o nr e m e l t i n go n4 5s t e e ls u b s 仃a t ei 1 1 “sr e s e a r c h as e r i e so f r e s e a u r c hw a sc 枷e do nt 1 1 ec o a t i n g sp r e p a r a t i o nt e c l l 芏l o l o g y ，s u b s e q u e n t 黜e a l i n g t e c l 1 0 l o 鼢 血c r o g t m m 玳， m e c h a l l i c a l p r o p e r t i e s a n d t r i b o l o g i c a lp r o p e n i e s c o n c r e t es t 印sa r ea sf o l l o w i n g ： p o w d e r sm i x t u r ew a so i n e db ym a n u a lm i x i n g ，a n dm e nf e - a 1n e 衄e t a l l i c c o m p o u n dc o a t i n gw a sp r e p a r e db yf l 锄es p r a y i n g - i n d u c t i 9 nr e m e l t i n gc o m b i n e d p r o c e s so n4 5s t e e ls u b s t r a t e a n n e a l i n gp o s t - p r o c e s s i n g o ff e a li m e m e 切n i cc o m p o u l l dc o a 血g 、懈 d e s i g n e db yo r t h o g o n a lm e t l l o d m i c r o h a r d n e s sa i l dw e i g h tw e a rr a t e w e r es e ta l s i n d e x e s t e m p e r a t u r e a n dt i m ew e r es e ta s i n n u e n c i n g f - a c t o r s t h ec o a t i n g s m e c h a l l i c 础p r o p e r t i e s - m i c r o h 矾n e s sa n dt r i b o l o g i c 2 l lp r o p e n i e s w e i g h tw e a rr a t e w e r et e s t e d a n a l y s i ss h o w st h a t ：2 l sf o rm i c r o h 莉n e s s ，t l l eo p t i m i z e d 锄e a l i n g t e c l m o l o g yi s ：趾m e a l i n gt e m p e r a ：t u r ei s7 5 0 ，h o l d i n gt i m ei s1 5 h ；a s f o rw e i g h t w e a rr a t e ，t h eo p t i m i z e da 工l i l e a l i n gt e c l l i l o l o g yi s ：锄e a l i n gt e m p e r a t u r ei s7 5 0 ， h o l d m gt i i n ei s 1 5 h s om a tt h eo p t i m i z e da n n e a l i n gt e c h n o l o g yf o rt h ef e - 灿 i n t e m l e t a l l i cc o m p o u n dc o a t i n gi s ：锄e a l i n gt e n l p e r a t u r ei s7 5 0 ，h o l d i n gt i m ei s 1 5 h a c c o r d i i l gt o 廿1 ea 1 1 a l y s i so fm ea b r a s i v ed u s ta 1 1 dt 王l es u r f 如em o 印h o l o g ) rm e r w e a rc o n c l u d e dm ew e a rm e c h a i l i s mo ft h ec o a t i n gi st h a t ：a tt h eb e g i m l i n go f 衔c t i o n a i l dw e a r ，也em e c l 坷 1 i s mi sa d h e s i v ew e a r ；a st h e 衔c t i o na i l dw e a rp r o c e s s i n gi s g o i l l go n ，t h e m e c h a j l i s mt r a n s f o 咖e di 1 1 t oa b r a l s i v ep a r t i c l ew e 跣 t h ec o m p o n e n t so ff e a li n t e m l e t a l l i cc o m p o u l l dc o a t i i l gw e r ea n m y z e db y x r a yd i f j 6 m c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em a i np h a s e si nf e a li m e m l e t a l l i c c o m p o u n dc o a t i n ga r ef e a li n t e m ( 建a l l i cc o m p o u n d ( i n c l u d i n gf e a l 、f e 3 a 1 a n da 。f e ) a i l dc 砒i d ep r e c i p i 谢o n t h e r ea r eas p o to fo x i 咖i o n so f 舢a n df e ，n 锄e l ya 1 2 0 3 a n df e 2 0 3 ，i nm ec o a t i n g i l l t h e nt h et i s s u eo ff e a li n t e m e t a l l i cc o m p o u n dc o a t i n gw a l so b s e r v e db y m e t a l l o g r 印h i cm i c r o s c o p ea n ds c a l l n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e m i c r o s t m c t u r e o b s e a t i o ns h o w st h a t ：t 1 1 ec o a t i n g sm i c r o 蛐n j c t u r ei sm o r eu 1 1 i f o n l l 世e ra r m e a l i n g ， m e t a l l u r g i c a lb o n d i l l gi sp r e s e n t e db e t w e e nc o a t i n ga 1 1 ds u b s 缸a t e t h em i c r o s t n j c t u r e o ff e 一灿n e 肌e t a l l i cc o i n p o u n dc o a t i n gc a l lb ed i v i d e di n t os 0 1 i ds o l u t i o nr e g i o n s 、 s t r i ps h a p ea 1 1 dm a s s i v ep r e c i p i t a t i o nr e g i o n s 、o x i d a t i o nr e g i o n s 、p o r er e g i o n sb y s t u d y i n gs e c o n d a r ye l e c t r o ni m a g e sa i l db a c k s c a t t e r e de l e c t r o nh a g e s f u r t h e rr e s e a r c hw a sp e 怕m e db y1 1 r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p et o c o i mm ep h a s ec o m p o s i t i o no ff e a 1i m e m e t a l l i cc o m p o l dc o a t i n g t h em a i n p h a s e so fm ec o a t i n ga r ei m e h n e t a l l i cc o m p o u i l dp h a s e ss u c ha sf e 3 a l 、f e a la 1 1 d a - f e ；c a r b i d e sa sc r 2 3 c 6p h a u s e ；o x i d e sa sa 1 2 0 3p h a l s e 1 1 1a d d i t i o n ，d i s l o c a t i o n sa r e f o 蚰di nt h ec o a t i n g a n dd i s l o c a t i o nm o t i o np h e n o m e n o n2 l sd i s l o c a t i o np i l e - u p 、 c r o s s - s l i pi so b s e r v e d f e - a li m e n n e t a l l i c c o m p o 吼dc o a t i n g w a s p r e p a r e db y f 1 锄e s p r a y i n g i n d u “o nr e m e l t i n go n4 5s t e e ls u b s 订a t ei i lt h i sr e s e a r c h ni se x p e c t e dt h a t t h em e m e t a l l i cc o m p o u l l dc o a t i n g 惭l li n s t e a dc o - b a s e ds e l f - n u x i n ga l l o yc o a t i n g 、 n i - b a s e ds e l f - n u x i n ga l l o yc o a t i l l g ，t os a v es t 】? a t e g i cm e t a lc o 、n i t h j sp a p e rm a y b e p r o v i d em e o r e t i c a 】b a s i sf o rp r o d u c t i o n 印p l i c a t i o no ff e a l i n t e m e t a l l i cc o m p o u n d c o a t m g k e yw o r d s ：i n d u c t i o nr e m e l t i g ；d e s i g no fo i - t h o g o n a le x p e r i m e n t ；a n n e a l i n g ； p e r f b r m a n c e s ：t 垤i c r o s t r u c t u l e i v 独创声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；垫遗查墓他盂要挂别直明鲍：奎拦亘窒或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：柬鼎慧签字日期：2 缉年石月胗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 柬鼎慧 导师签字： 悻才 签字日期2 斫年万月d 日 签字日期：如呻年6 月f 一日 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 1 1f e a l 金属间化合物简介 1 绪论 随着科技与工业的发展，许多工程应用领域对材料的性能要求越来越高。一 些金属间化合物由于具有某些独特的性能，近年来受到人们的重视而研制开发为 新型材料，并开始在航空航天、石油化工、火电厂等领域得到应用f 1 】。 两种金属以整数比( 化学计量) 组成的化合物称金属间化合物。它们背离传统 的化学价概念，以金属键结合，具有金属的特性，如金属光泽、金属导电性及导 热性等。与两金属组元结构不同，金属间化合物形成有序的超点阵结构，两个原 子各占据点阵的固定阵点，最大程度地形成异类原子之间的结合，因此也称它们 为有序金属间化合物【2 1 。 f e a l 金属问化合物合金的研究始于上个世纪3 0 年代，几经热起，几度沉寂， 在7 0 年代末取得突破，到8 0 年代，f e 触合金作为一类结构材料得到广泛研究， 到9 0 年代研究人员进一步发现水汽是导致f e - a l 合金室温脆性的根本原因【3 j 。 然后人们对f e a 1 合金的反常屈服行为4 1 ，室温脆性5 1 ，合金成分的理论设计【6 】， 微合金化对f e 3 a l 性能的影响 7 - 8 1 ，f e 3 越合金的制备工艺【9 - l o 】等方面都进行了较 全面的研究。比如由美国橡树岭国家实验室研究人员开发出的f e 3 触合金不仅有 良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能，其室温延伸率可达1 2 8 【1 1 】，采用快速凝固工 艺制粉、热挤压固结的f e 3 舢合金，其室温延伸率高达1 5 2 0 ，抗拉强度高达 9 6 0 m p a 【1 2 1 。因此材料学家认为，该材料预计将在航空、化工、核反应堆元件、 熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得广泛应用【1 3 】。在我国，从8 0 年代末到 9 0 年代中期，国家科委和有关部门先后把f e a l 金属问化合物的研究列入“8 6 3 ” 计划和一系列研究基金计划，使f e 越金属间化合物的基础性研究有了长足发展 【1 4 】 o f e a 1 二元合金相图如图1 1 【1 5 】所示： 金属间化合物复合涂层的制各及性能研究 p - - 掌 ： 。 复 - 图1 1f e a 1 合金二元相副1 5 】 f i g 1 1i r o n a l u m i n u mp h a s ed i a g r 锄【1 5 】 由图1 1 可见f e 舢合金中存在相当多的金属间化合物，如f e m 、f e 3 赳、 f e 触2 、f e 趾3 等，其中备受关注的是f e a l 和f e 3 a l 。f e 灿和f e 3 a l 具有优良的抗 高温氧化和抗硫化性、对多种介质的抗腐蚀性，较高的高温强度、密度低，不含 贵重金属，成本低，是_ 种理想的高温耐磨防腐材料。f e 舢和f e 3 a l 的一些特性 见表1 1 ： 表1 1f e a l 和f e 3 a 1 【1 6 1 的性能 i l 出1 1 p r o p e r t i e so f f e 3 a 1a n df e a l 【1 6 】 f e a 1 系金属间化合物主要有f e a l 和f e 3 a l 两种。f e 砧是b 2 型有序金属间 化合物，而f e 3 a 1 在室温下有两种晶体结构，一是d 0 3 型超点阵结构金属间化合 物( 见图1 - 2 ) ，二是非稳定相晶体结构即b 2 型。 2 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 蝣 阮毋l 瓣；甏越煮箨结构& oa i b ) 魄魁黔2 慰怒威簿终鞫岱矬 图1 - 2f e - a l 金属间化合物的晶体结构 f i g 1 - 2c 巧s t a ls 仃u c t u r eo fl r o n - a l 啪i n u mi n t e 彻e 诅1 1 i cc o m p o u n d 由图1 2 可见d 0 3 和b 2 两者之间有着相当大的差别，d 0 3 型的结构更为复 杂。金属间化合物的结构越复杂，硬度和弹性模量越高，并且结构越复杂，稳定 性越高，从而金属间化合物的高温强度和硬度也就越高。d 0 3 和b 2 都为有序金 属间化合物，有着特殊的原子键模式，原子间有一定的配比，电子云有一定的方 向性，类似于共价键，以至原子之间产生了相当强的结合力，具有较高的抗变形 能力，所以两者均具有硬度高、弹性模量高的特性。另一方面，f e a l 和f e 3 a l 金属间化合物的晶胞大、滑移面间隙小、对称性低、位错的柏格氏矢量大，而且 滑移系的数量有限，故位错滑移非常困难，所以它们的塑性很差。金属间化合物 往往是有序结构，其变形只有通过分隔的超点阵位错滑移进行，位错的滑移势必 会破坏有序结构，面缺陷将变成超晶格位错，诱发交叉滑移，位错变成止销形， 从而使应变应力增加，所以f e a l 和f e 3 甜金属间化合物硬度非常高。但这种复 杂体心立方超点阵结构，对称性低、柏格氏矢量高，在变形中将导致高的应力， 缺乏形变滑移系统，因此f e 砧金属间化合物的脆性也很大【1 7 1 。 长期以来，低的室温塑性和高温强度大大限制了这种材料的可加工性及其在 工程上的应用【1 8 j 。然而最近几年，研究人员在研制开发f e 3 a 1 基合金过程中发现， 通过合金化和热处理手段可使其性能得到一定程度的改善1 9 删，从而为这种材料 的工程应用展现了良好的前景，并引发人们在相关方面进一步开展深入的研究。 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 1 2 热喷涂涂层制备方法简介 随着现代工业技术的发展，材料的腐蚀、磨损与防护问题的重要性日益增强。 据统计，在某些发达国家因腐蚀、磨损所造成经济损失高达国民生产总值的 2 4 ；我国因腐蚀、磨损造成的经济损失也十分巨大，据不完全统计每年因腐 蚀、磨损造成的钢材消耗达1 0 0 万吨以上，至于其所造成的间接损失更是难以估 计。腐蚀、磨损造成的工件或结构失效是从表面开始的，最终导致整体的缓慢失 效或工作过程中的突然失效，后者的危害性更大。为防止在高温、高压、重载、 脆蚀介质等环境下工作的工件因表面的损伤而导致整体破坏，提高工件的可靠 性，工程技术界研究开发了多种提高表面性能的措施，如表面热处理、表面化学 处理、气相沉积、电刷镀、高能密度束表面处理、热喷涂等。这些技术的应用， 不仅提高了工件耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，有些情况下还可以赋予工件表 面很多优异的物理化学性能。表面技术已经成为近年来科学技术领域关键技术之 一，也是2 0 世纪后期以来科学技术发展的重要内容之一【2 1 1 。 热喷涂技术是近2 0 多年以来迅速发展的一种表面处理工艺【2 2 2 4 1 。在这个时 期，热喷涂技术由早期的制备一般装饰性和简单防护性涂层发展到制备各种功能 型涂层，由产品维修发展到批量生产产品，由制备单一涂层发展到制备复合型、 功能型涂层，由简单喷涂发展到包括表面预处理、喷涂材料研究、设备开发、涂 层系统设计、涂层后加工、涂层失效分析等内容的热喷涂系统工程。目前，热喷 涂技术的研究已成为表面工程领域最活跃的独立科学分枝之一。 国家标准g b t 1 8 7 1 9 2 0 0 2 热喷涂术语、分类中定义：热喷涂技术是利 用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预 处理的基体表面形成涂层的方法。达到赋予基体表面特殊功能的目的。 1 2 1 涂层形成机理 在喷涂过程中，被加热至熔化或接近熔化状态的合金微粒，相继以高速喷射 撞击处于常温至2 0 0 温度范围内的基材表面，形成鳞片状的相互重叠的层状结 构。当微粒( 直径d ) 冲击到抛光的具有新鲜金属表面的基材上，在动能作用下， 发生强烈变形，形成d h 的薄片状如图1 3 所示： 4 金属间化合物复合涂层的制各及性能研究 图1 3 微粒变形过程不意图 f i g 1 - 3t h ed e f o 加a 士i o np r o c e s so fp 2 l n i c l e 经雾化加速后的熔滴将以很高的速度撞击基体表面，撞击过程中熔滴的动能 将转化为热能和变形能【2 5 之6 】。熔滴在撞击基体时，基体会迅速吸收其热量，熔滴 在变形的瞬间被冷却、凝固，形成圆盘状薄片，即扁平颗粒。熔滴的撞击、变形、 冷却的过程称为扁平化过程，此过程时间极短，只有1 0 - 。1 0 - 5 s 。大量的熔滴扁 平化并不断堆积，形成涂层。在堆积过程中，熔滴与基体撞击后都会发生不同程 度的飞溅，扁平颗粒的圆盘状往往是破碎的，这与熔滴撞击基体表面产生的冲击 应力波、基体温度、凝固速度和表面张力等因素有关f 2 7 1 。 处于熔化或半熔化状态的粒子撞击到基体表面时，会变形成薄片状( 如图 1 4 ) ，因此所得热喷涂涂层都是类似鱼鳞片状的层状组织。 图1 4 涂层结构示意图 f i g 1 - 4t y p i c a 】s p r a y e dc o a t i n gc r o s ss e “o n 在涂层形成的过程中，如果粒子没有足够的速度、足够的温度或喷距过远， 后来的粒子片就很难与已凝固的粒子完全粘附，就不可避免地造成孔隙，形成多 孔涂层。多孔涂层对于抗磨损一般影响不大，尤其是对于滑动摩擦。多孔涂层良 占千 金属问化合物复合涂层的制各及性能研究 好的储油能力会使抗磨寿命大大提高，但在腐蚀条件下这种多孔性往往是有害 的，必须进行封闭处理。 涂层的结合包含涂层与基体表面的结合( 即通常所说的涂层结合强度) 和形 成涂层颗粒与颗粒之间的内聚力( 即涂层自身结合强度) 。一般来讲，涂层自身结 合强度高于涂层与基体的结合强度，但都属于物理化学结合。这种物理化学结 合包含以下几种方式： ( 1 ) 机械结合。喷涂粒子撞击基体表面产生变形、镶嵌、填补、咬合在基体 材料表面上，与基体材料形成机械式锚合作用。大部分涂层结合以这种结合方式 存在。 ( 2 ) 物理结合。颗粒对基体表面的结合是由范德华力或次价键组成的结合。 ( 3 ) 冶金化学结合。冶金化学结合比机械结合和物理结合的结合强度要大得 多。它由三部分组成：范德华力( 在洁净的基体表面上，涂层粒子与基材表面的 接触处粒子之间，其原子间距达到原子、分子距离时所形成分子间的引力) 、化 学键力( 涂层原子与基材原子或者涂层粒子之间的原子距离达到原子晶格常数的 数值时，所形成的化学键结合力) 和微扩散力( 涂层粒子中的元素和基体材料中的 元素在一定的条件下相互扩散作用) 是涂层材料和基体材料表面出现扩散和合金 化的一种结合类型，包括在结合面上形成金属间化合物或固溶体。 在同一试件的涂层上，以上三种结合方式有可能同时存在，但以机械结合为 士【2 8 】 l o 熔融的粒子冲击到母材上之后，急剧冷却并发生收缩，但冷却过程中由于相 变有时还会膨胀，粒子的冲击、收缩或膨胀的结果造成了涂层的残余应力。残余 应力随涂层的加厚而增大，是造成涂层开裂和脱落的原因之一，因此必须根据不 同的喷涂材料确定合适的涂层厚度。 涂层的形成过程中，当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受到激 冷而凝固，从而产生收缩应力。涂层的外层受拉应力，基体有时也包括涂层的内 层则产生压应力。涂层中的这种残余应力是由热喷涂条件及喷涂材料与基体材料 的物理性质的差异所造成的。它影响涂层的质量、限制涂层的厚度。工艺上要采 取措施以消除或减少涂层的残余应力。文献【2 9 】介绍了稀土型抗开裂堆焊焊条的 成分优化设计及在生产中的应用情况，表明稀土氧化物能明显提高熔覆金属的抗 6 金属间化合物复合涂层的制各及性能研究 f， 线材火焰喷涂 厂燃 f 爆炸喷涂 l 陶瓷棒材火焰喷涂 i 萎 t 火焰喷涂 粉末火焰喷涂 jl 高速火焰喷涂 热喷涂工艺 弋i 粉末火焰喷焊， l 塞， 喜：差焊 jr 喜三二二i ：茎喷涂 l 激光喷涂 i 液稳等离子喷涂 l 激光喷涂 i 似倔奇丙3 啜体 l 线爆喷涂l 溶液等离子喷涂 线爆喷涂。 图1 5 热喷涂技术方法分类【2 硎 f 培1 5c 1 a s s i f i c a t i o i l so fn l e n n a ls p r a y i n gt e c h n o l o 影 热喷涂技术具有以下特剧3 0 】： ( 1 ) 喷涂材料非常广泛，几乎包括所有的工程材料； ( 2 ) 选择合适的工艺方法，几乎能在任何固体材料表面上喷涂； ( ，3 ) 涂层厚度可以控制，从几十微米到几毫米； ( 4 ) 被喷工件的温度可以控制，确保工件不发生变形和组织变化； ( 5 ) 可使零部件表面具有耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、导电、绝缘、密封、 减磨、抗辐射等各种功能，以满足各种工况和尖端技术的需要； ( 6 ) 可对废旧件进行修复，且时间短、效果好。对修复短缺的进口配件，尤 其显出其优越性，甚至能比新件具有更好的性能和使用寿命。 7 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 热喷涂技术的发展方向【3 1 】： ( 1 ) 开发新型喷涂材料。 ( 2 ) 重视热喷涂技术的理论研究。 ( 3 ) 开发热喷涂技术应用的新领域。 ( 4 ) 大力推进计算机在热喷涂工艺中的应用。 1 2 2 火焰喷涂 火焰喷涂是利用氧乙炔火焰加热合金粉末使其处于半熔化状态，在压缩气 流作用下高速冲击基材表面，碰撞的瞬间，涂层粒子的动能转化成热能传递给基 材，并沿凹凸不平的表面产生变形，随即迅速冷凝收缩呈扁平状粘附于基材表面。 涂层的形成过程决定了喷涂层的结构，即由无数变形粒子互相交错波浪式堆叠在 一起的层状组织结构，这种层状结构不可避免地存在一部分氧化物夹杂、小缝隙 和微孔洞。同时，当进入火焰的粉末在随后被喷射飞行的过程中，由于处在火焰 中的位置不同，被加热的程度不一样，因而有部分粉末熔融，部分粉末仅被软化， 还存在少数未熔的粉粒。由此造成粉末火焰喷涂涂层的结合强度和致密性不好 【2 8 】 o 火焰喷涂适用于低熔点的材料【3 2 】。该方法出现最早，迄今仍是普遍采用的 方法。喷涂工艺已广泛应用于电力、机械、化工、冶金和农机制造等领域 3 3 。4 1 。 对喷涂材料的加热熔化和雾化是通过线材火焰喷枪( 俗称气喷枪) 实现的，喷涂的 基本原理如图1 6 所示： 5 6 7 1 涂层；2 燃烧火焰；3 空气帽；4 气体喷嘴；5 线材或棒材； 6 一氧气；7 乙炔；8 压缩空；9 喷涂射流；1 0 基体 图1 6 火焰喷涂原理示意图 f i g 1 6s k e t c ho f f l a m es p r a y i n gp r i n c i p l e 8 金属间化合物复合涂层的制各及性能研究 喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷嘴出 口处产生燃烧火焰。喷枪内的驱动机构通过送丝滚轮带动线材连续地通过喷嘴中 心孔送入火焰，在火焰中被加热熔化。压缩空气通过空气帽呈锥形的高速气流， 使熔化的材料从线材端部脱离，并雾化成细微的颗粒，在火焰及高压气流的推动 下，喷射到经过预处理的基材表面形成涂层。为适应不同直径和不同材质的线材， 采用不同的喷嘴和空气帽，并调节送丝速度。在特殊场合下，也采用惰性气体作 雾化气流。 金属热喷涂是将金属材料通过各种能源加热到熔融或高塑性状态，并以高速 的气流运载，喷射到被处理过的零件表面上形成喷涂层的一种表面覆层工艺。如 将涂层加热重熔于工作表面形成的覆盖层称为喷焊层，所以热喷涂是指喷涂和喷 焊两种工艺的总称。火焰喷涂技术是热喷涂技术家族中的一种3 3 。3 7 】。 1 2 3 等离子喷涂 等离子喷涂是一种多用途的精密喷涂方法。等离子喷涂具有温度高、粒子速 度高、涂层致密、孔隙率低、粘接强度高等优点。等离子弧的能量集中温度很高， 其焰流的温度在几万摄氏度以上，可以将所有固态工程材料熔化。以这种高温等 离子体作热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺就是等离子喷涂。 等离子喷涂是以等离子弧为热源。等离子弧是一种高能束热源，电弧在等离 子喷涂枪中受到压缩，能量集中，其横截面的能量密度可提高到1 0 5 1 0 6 w c m 2 ， 弧柱中心温度可升高到1 5 0 0 0 1 0 3 3 0 0 0 k 。在这种高温情况下，弧柱中气体发生 电离，随着电离度的提高成为等离子体，这种压缩电弧为等离子弧。 图1 7 等离子喷涂原理 f i g 1 7s k e t c ho fp l a s m as p r a y i n gp r i n c i p l e 9 1 涂层 2 工件 3 前枪体 4 送粉管 5 水电接头 6 进气管 7 钨极 8 后枪体 9 绝缘体 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 图1 7 是等离子喷涂原理示意图。图的右侧是等离子发生器，又叫等离子喷 枪。由于钨极7 与前枪体3 之间有一段距离，故在电源的空载电压加到喷枪上以 后，并不能立即产生电弧，需在前枪体3 与后枪体8 之间并联一个高频电源。高 频电源接通后，使钨极端部与前枪体3 之间产生火花放电，工作气经进气管6 进入，到达弧柱区后，电弧便被引燃，随后切断高频电源，此时工作气将被电离 成为等离子体。引燃后的电弧在孔道中受到三种压缩效应，温度升高，喷射速度 加大。与此同时，将喷涂粉末由送粉管4 输送到前枪体3 中，粉末在等离子焰流 中被加热到熔融状态，并在高速气流的作用下撞击到2 的表面上，发生塑性变形 后粘附在工件表面上。各熔滴之间依靠塑性变形而互相堆叠起来，随着喷涂的继 续，零件表面就获得了一定尺寸的喷涂层【3 8 】。 1 2 4 电弧喷涂1 3 9 】 电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生电弧，电弧产生的热使金属丝熔 化，熔化部分由压缩空气气流雾化并喷向基体表面而形成涂层。该工艺也具有设 备一次投资少，使用方便、效率高等特点，但喷涂材料必须是导电的金属及合金 丝，因而应用受到了一定的限制，但它的高效率使得它在喷涂a l ，z n 及不锈钢 等大面积防腐应用方面成为首选工艺。 1 2 5 感应重熔 电磁感应加热的实质是由磁感应电流产生热能的电加热方式，它是依靠感应 器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到 加热金属的目的。 受漉磁裘 图1 8 电磁感应加热原理 f i g 1 - 8p r i n c i p l eo fe l e c 仃o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g 1 0 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 感应加热是由外施电流和感应电流产生电功率损耗而引发的，而温度的升高 反过来又引起某些材料的导电、导磁性能发生变化，这样电磁场和温度场相互影 响。电磁感应加热具有电效率高、加热速度快、设备简单等优点，使得这项技术 发展相当快，已经在很多行业得到应用【加4 2 】。电磁感应加热的基本原理如图1 8 所示。 感应加热的主要理论依据是电磁感应及“集肤效应”等基本原理。当交变电流 通过感应器时，与感应器相邻近的工件表面产生相同频率的感应电流，出现涡流 和磁滞损耗，使熔覆层和工件表面迅速加热到高温，冷却凝固后熔覆层与基体形 成冶金结合。交变电流的频率越高，则电流透入深度越浅，被加热层越薄。感应 加热过程中会产生涡流、集肤效应、近邻效应、环状效应、尖角效应和磁滞损耗 等物理现象。高频感应熔覆涂层的示意图如图1 。9 ： 2 图1 9 制备高频感应熔覆层示意图 1 粉块；2 基体试样；3 型模 f i g 1 9s k e t c hm 印o fp r e p a r a t i o no fh i 曲一f r e q u e n c yl n d u c t i o nc l a d d i n gc o a t i n g 以一定频率的交变电流通过感应器，处于交变磁场中的工件，按照电磁感应 定律，在表层产生与感应器电流方向相反的感生流，这种感生电流沿工件表面形 成的封闭回路就叫做涡流。 交变电流在工件的截面上分布不均匀，表面电流密度大。自表面向心部，电 流密度呈指数规律衰减，这种现象称为集肤效应。集肤效应随交变电流频率的增 高而加剧。 流经两相邻导体的交变电流方向相同时，两导体外侧的电流密度最大：电流 方向相反时，两导体相邻一侧的电流密度最大，称为近邻效应。近邻效应随交变 电流频率的增高而加剧，还随导体截面增大、两导体间距减小而加剧【4 3 1 。 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 圆环状或螺旋状感应圈内通入交变电流时，其内表面的电流密度最大。通过 感应圈的电流集中在内侧表面的现象称为环状效应。环状效应随交变电流频率的 增高而加剧，还随导体截面的增大和圆环曲率的增大而加剧。对圆柱体外表面进 行感应加热时，圆环效应起着有利的作用，而对内孔进行感应加热时环状效应是 不利的【删。 带有尖角、棱边的工件，感应加热时，尖角、棱边部位的电流密度大，加热 速度快，易过热，称为尖角效应【4 3 】。 感应重熔对工件基体传热少，熔池冷却速度快，晶粒生长受到抑制，重熔层 组织致密；感应重熔一般为机械化操作，因而重熔层表面平整光滑4 5 1 。 1 3f e a l 金属间化合物涂层的研究现状 闵学刚等用手弧堆焊法制备f e 3 趾堆焊层( 原料为f e 3 砧焊条，焊条芯的成分 为f e 粉、a 1 粉及其它成分) m ；程广萍等采用激光熔覆制备f e 3 趾金属间化合物 覆层( 原料为纯f e 3 砧粉) 【4 7 】；朱子新等采用高速电弧喷涂制备f e a 1 w c 复合涂 层( 原料为f e 3 m 焊条，焊条芯成分为f e 粉、a l 粉、w c 粉) 【4 8 】；y 抽s h e n g n 等采用等离子喷涂f e 3 砧灿2 0 3 陶瓷梯度涂层( 原料为m a 制备的f e 3 a l 粉) 【4 9 】； c e z a 巧s e n d e r o w s 虹用气体爆炸喷涂法制备f e a 1 金属间化合物涂层( 原料为f e 粉、a l 粉) 【5 0 1 。 1 4 本课题的研究内容 以金属间化合物为基体的合金或材料是一种全新的材料。普通的金属材料都 是以相图中的端际固溶体为基体，而金属间化合物材料则以相图中间部分的有序 金属间化合物为基体。与传统的金属材料相比，其性能介于金属和陶瓷之间，所 以也被誉为半陶瓷材料。金属间化合物种类非常多，在结构材料领域人们研究较 多的是t i 舢系、n i a l 系和f e 砧系金属间化合物。f e 舢系金属间化合物与前 两类相比，除具有高强度、耐腐蚀、低成本和低密度等优点，因此具有广泛的应 用前景1 9 也0 1 。但是，金属间化合物的共同缺点室温塑性低和高温强度差【1 0 】一直 没有得到很好的解决，也制约了它们在生产实践中的应用。因此以韧性材料为基 体，以f e 触金属间化合物作为表面涂覆材料，是f e 触金属间化合物应用的一 个重要发展方向f 4 7 】。 本文拟在4 5 钢基材表面制备f e a l 金属间化合物涂层，期望代替n i 基自熔 1 2 金属问化合物复合涂层的制各及性能研究 合金涂层、c o 基自熔合金涂层，从而节约n i 、c o 等战略金属。主要研究过程如 下： ( 1 ) 根据相图及所看文献设计出较合理的粉料配比。然后手工混料。 ( 2 ) 火焰喷涂制备f e a l 金属间化合物涂层，然后感应重熔改善涂层的结构和 性能。基本步骤为：4 5 钢基体表面预处理( 车床车出个新鲜表面) _ 预热一火焰 喷涂制备涂层_ 感应重熔。 ( 3 ) 对所得涂层进行退火正交试验，以期得到合适的后处理工艺。 ( 4 ) 对涂层的组织和性能进行进一步研究。 1 5 本试验所用到的实验仪器及设备 本试验所采用的仪器、设备选用如下： 称重：上海精密科学仪器有限公司，f a 2 0 0 4 n 型电子天平、t a 5 0 0 3 分析天 平( 感量0 0 0 1 9 ) 。 切割设备：江西第五机床厂，d k 7 7 5 5 a 线切割机。 显微硬度测试：h v 1 0 0 0 型显微硬度计( 上海材料试验机厂) 耐磨损性能测试：m 2 0 0 0 环块式摩擦磨损试验机( 中华人民共和国宣化试 验机厂制造) 金相观察：4 t v 金相显微镜。 扫描电镜观察：日本电子公司( j e o l ) j s m 8 4 0 扫描电子显微镜。 成分分析：日本生产的d m a x r b 型x 射线衍射仪( ) ( i ) ，衍射线为c u ( k 划) ， 衍射角2 0 。1 4 0 。，功率为4 0 k v l o o i n a ，石墨晶体单色器；荷兰菲利浦公司的 t e c n a i2 0u t w i n 型高分辨透射电镜( 加速电压1 5 0 k v ) 。 金属间化合物复合涂层的制备及性能研究 2 试验方案 近年来，表面熔涂技术的发展很快，出现了很多相关技术和材料【5 卜5 3 1 ，其中 热喷焊等表面熔涂技术具有投资少，操作简单，效果明显等特点，己广泛地应用 于要求耐磨、耐蚀等零件表面的修复、强化【5 4 1 。 本文以4 5 钢为基体，以f e 粉、a l 粉、c r 粉等的混合粉料为原料，利用氧乙 炔火焰喷涂加感应重熔制备金属间化合物涂层，以达到提高表面耐磨性的目的。 本试验f e 砧金属间化合物复合涂层的制备在河北沧州机械厂进行。 2 。】试验基体选用及粉料的配制 本试验采用4 5 钢作为基体材料。其化学成分见表2 1 【5 5 】。4 5 钢具有优异的综 合机械性能，在机械制造行业使用较多，其力学性能见表2 2 【5 5 】。 表2