基于钛合金表面热喷涂的镍包石墨涂层

1、基于钛合金表面热喷涂的镍包石墨涂层大庆石油学院JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTE第3O卷第5期2006年10月Vo1.30No.5Oct.2006基于钛合金表面热喷涂的镍包石墨涂层杨胜群,孟庆武.,耿(1.哈尔滨工业大学材料学院,黑龙江哈尔滨150001;163318)林,郭立新,吴林2.大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆摘要:为了提高钛合金的耐磨性能,采用专用的氧乙炔热喷涂枪,以镍包石墨粉为原材料,在Ti-6AI-4V钛合金表面上进行热喷涂耐磨涂层的研究.通过调整工艺参数,得到了良好质量的镍包石墨涂层.涂层与钛合金基底的界面呈现一定的冶金结合状态,界面

2、结合强度很高.微观组织分析发现,涂层的组成相仍然为镍和石墨.借助于镍的包裹保护,石墨颗粒比较均匀地分布于涂层中,形成了以镍为基体,以石墨为润滑相的耐磨涂层.这种镍包石墨涂层可以极大地提高钛合金的耐磨性能.关键词:钛合金;热喷涂;涂层;镍包石墨中圈分类号:TG113.1文献标识码:A文章编号:10001891(2006)05006903钛合金具有很高的比强度,很强的耐腐蚀性,优良的高温和低温性能,是航空航天和石油化工部门广泛使用的高性能材料;但钛合金的摩擦因数大,耐磨性差L1,限制了其应用范围.多年来,材料工作者对提高金属耐磨性的表面涂层技术进行了广泛研究,例如化学镀层L2,气体氮化,激光熔覆j

3、,热喷涂L5等.热喷涂技术是表面涂层技术的一种,其利用高温火焰将粉末熔化喷射到金属表面上,再冷却凝固形成涂层.由于采用热喷涂技术可以制备很厚的涂层,因此被广泛用来制备耐磨涂层.减轻磨损的有效途径就是降低对磨表面的摩擦因数.在减磨材料中,石墨是一种优良的固体润滑剂.包含有石墨成分的对磨表面通过石墨的自润滑作用,可大大降低材料的磨损.但是,单独的石墨不能用于制备金属的耐磨涂层.为此,国内外开发出一种镍包石墨的复合材料粉末,利用Ni作为黏结剂将石墨包裹起来,使得这种材料粉末用在涂层的制备工艺上.笔者以镍包石墨粉末为原材料,在钛合金表面上进行了热喷涂耐磨涂层的实验.1实验材料与方法1.1材料体系采用沈

4、阳金驰钛业的Ti一6A14V钛合金扎制棒材.用电火花切割机制成30mm×8mm的圆片状试样,试样待喷涂表面经水砂纸磨削加工平整,喷涂前进行喷丸处理以去掉氧化膜.热喷涂原材料采用北京矿业研究总院的KF21型镍包石墨复合粉末.镍包石墨粉末化学成分为硼(C)为209/5和w(Ni)为80.粉末形貌为不规则颗粒状,其电镜照片见图1.图1中粉末粒度范围为5080/tm.喷涂前,镍包石墨粉末在150烘干箱中烘干2h.1.2热喷涂工艺图1镍包石墨粉末的电镜照片热喷涂设备采用美国TS一5型高速氧乙炔喷涂枪,其工艺参数为:氧气压为0.30.6MPa,乙炔压为0.4O.6MPa,空气压为0.30.5MP

5、a.热喷涂过程中,采用调整送粉量大小的方法来控制涂层质量.收稿日期:20060331;审稿人:汪颖军;编辑:陆雅玲基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划基金(NCET一040324)作者简介:杨胜群(1970一),男,博士,副教授,主要从事材料表面改性技术方面的研究大庆石油学院第30卷2006年1.3涂层分析热喷涂后的试样沿涂层横截面切开,经过磨制和抛光,通过日立S一3000型扫描电子显微镜(SEM)和PhilipsX射线衍射仪(XRD)对涂层进行相分析和组织形貌观察.分析试样的腐蚀剂为(HNO.)为2O9/6+(HF)为3O+(H2()为5O9/6,腐蚀时间为0.1min左右.2试验结果与分

6、析2.1涂层的宏观形貌涂层的质量与热喷涂过程中粉末的熔化程度有关.当粉末在火焰气流中停留时间过短时,粉末表面未充分熔化,撞击金属基底时的附着力就小,形成的涂层致密度不高;当粉末在火焰气流中停留时间过长时,粉末烧损比较严重,形成的涂层中氧化物含量高,影响涂层的使用性能.在该试验中,当送粉量过小时,镍包石墨粉的外表层镍气化烧损严重,剩余的液态镍不足以包裹固相石墨,造成石墨颗粒撞击钛合金基底时的附着力小而飞溅出去,涂层的堆积速度很慢.图2(a)显示出镍包石墨粉末烧损严重的涂层形貌,其颜色发黑,表面颗粒尺寸由于气化烧损而相对较小.当送粉量过大时,镍包石墨粉的外表层镍未熔化,造成喷涂颗粒无附着力,撞击钛

7、合金基底时飞溅出去,不能形成涂层;当送粉量适中时,镍包石墨粉的外表层镍发生部分熔化,仍然包裹住固相石墨,从而保障了喷涂液滴的附着力,涂层的质量良好,见图2(b).2.2涂层的XRD分析(a)送粉-l茜偏小的涂层(b)送粉量适中的涂图2不同质量涂层的宏观形貌利用X射线衍射仪(XRD)对质量良好的涂层进行相分析,分析结果见图3.图3中横坐标为扫描角度(20),纵坐标为晶体对应晶面的X射线衍射峰值,单位为每秒钟脉冲计数率.涂层的X射线衍射峰只有Ni和石墨,没有杂质和其它反应产物.由于Ti的表面活性很高,容易与c发生化学反应生成TiC,这在激光熔鑫覆涂层的原位合成TiC研究中报道很多.在热喷涂过程中,

8、喷涂火焰的温度高达20003000,在这个温度下,Ti极易与石墨发生化学反应生成TiC.但是,该实验的涂层中没有发现TiC相的存在,这说明粉末外层的Ni虽然熔化,但是液态的Ni仍然对石墨包裹图3涂层的XRD分析结果效果很好,隔绝了石墨与基底Ti的接触,阻止二者发生化学反应,从而避免石墨润滑相的损失.2.3涂层的微观组织通过扫描电子显微镜(SEM)对涂层的横截面进行观察,在最佳工艺参数下得到的涂层厚度约为0.6mm,其形貌见图4.由图4可看出,靠近钛合金基底处,热喷涂的粉末熔化完全,形成涂层比较致密.涂层表面处,热喷涂的粉末熔化不完全,组织呈颗粒形态,颗粒之间具有孑L隙,因而相互之间结合强度较弱

9、,容易脱落.涂层与下部钛合金基底的界面清晰,平滑,无大的裂纹和气孑L,也未发现不明夹杂物.高倍镜下?7n第5期杨胜群等:基于钛合金表面热喷涂的镍包石墨涂层的涂层微观组织见图5.由图5可看出,涂层和基底的结合状态良好,呈现一定的冶金结合状态,界面结合强度很高.涂层的微观组织中,灰色的镍基体里弥散地分布着黑色的石墨颗粒.石墨与镍基体的界面浸润良好,结合强度高,可以保证石墨颗粒在磨损过程中不会脱落.图4涂层的截面形貌图5涂层的微观组织3结论(1)以镍包石墨粉为原材料,在Ti一6Al一4V钛合金表面上进行热喷涂耐磨涂层,优化工艺参数,得到了良好质量的镍包石墨涂层.(2)在热喷涂过程中,石墨颗粒表层的镍

10、完整地包裹住石墨,隔绝了石墨与基底Ti的接触,阻止二者发生化学反应,从而避免石墨润滑相的损失.(3)涂层与下部钛合金基底的界面处无大的裂纹和气孑L,也未发现不明夹杂物,呈现一定的冶金结合状态,界面结合强度很高.,(4)涂层组织中,石墨颗粒弥散地分布于镍基体里,二者的界面浸润良好,结合强度高,可以保证石墨颗粒在磨损过程中不会脱落下来.参考文献:1STRAFFEIINIG,MOIINARIA.DryslidingwearofTi-6A1-4VallyasinfluencedbythecounterfaceandslidingconditionsI-J.Wear.1999,236:328338.2郝

11、文森.赵宪波,赵小京,等.65Mn钢表面化学镀耐磨研究J.大庆石油学院,2004.28(1):9193.3XINH?HUC,BAKERTN.MicrostructuralassessmentoflasernitrideTi一6AI一4VAlloyJ.JournalofMaterialsScience.2000.35:33733382.4SUNRL?YANGDz,GUOLx.LasercladdingofTi-6A14ValloywithTiCandTic+NiCrBSipowdersJ.SurfaceandCoatingsTechnology,2001.135:307312.5RODRYGUEZJ?MARTYNA,FERNANDEZR,eta1.AnexperimentalstudyofthewearperformanceofNiCrBSithermalspraycoatingsI-J.Wear.2003,255:95o一955.6李锐星.梁焕珍,喻克宁.等.制备细镍包石墨粉末的动力学J.