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高性能陶瓷涂层材料制备技术的综述

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TECHNOLOGY 技术应用 商陛能陶瓷涂层材料制备技术的综述 ◆燕晓涛 吕耀辉 林建军 王凯博 摘要:随着机械装备的不断改进和发展,对于机械装备的高速性、重载性、高精度性的要求越 来越高,由此带来了机械装备磨损的增加和使用寿命的降低,为了改善机械装备的性能参数,在已有 的装备表面制备一层金属陶瓷涂层,可有效提高机械装备的性能参数,延长机械装备的使用寿命,所 以,装备表面改性技术逐渐成为近年来的研究热点。针对金属陶瓷具有高硬度、高熔点、耐磨损、 良好的抗热震性和化学稳定性等突出特性,本文通过对激光熔覆技术、自蔓延技术、热喷涂技术等目 前主流表面强化技术的研究,分析它们各自之间的优缺点。同时对各类试验中熔覆层强化材料进行分 析,为下一步试验的改进提供理论基础。 关键词:离子热源;金属陶瓷;制备 引言 材料、信息、能源、生物是本世纪发展最快、最具影响力 的领域,各式各样的新型技术在日常生活及高技术领域中被广 泛应用,潜移默化的改变了人们的日常生活方式,也推动着社 会生产力的向前快速发展。目前单纯金属材料已难以满足日益 复杂的苛刻工况,而将高性能的熔覆层制备在金属部件表面, 赋予其特殊功能,已成为提高严苛_丁作环境下金属零部件服役 的可靠性重要途径。金属基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、耐 磨擦、高强度等系列特点,同时因其制备工艺简易、操作简单、 性价比高的特性,而广泛应用在化丁冶金、机械加T、国防丁 业等行业 】。 近几年来,学者们也研究发展了一些其他高性能陶瓷涂层 材料制备的方法,如:激光熔覆、自蔓延技术、热喷涂技术、 熔覆技术等。通过这些技术不断的发展完善,使得涂层与基体 两者之间结合性越来越好,而这些新兴技术也在机械加丁、冶 金生产、航天航空等T业生产过程得到进一步完善提高,从而 带动新一轮材料技术的大变革。 一、高性能陶瓷涂层材料制备方法 1.1激光熔覆技术。激光熔覆技术是采用激光作为热源, 将涂层材料和基体表面同时进行熔化而生成新的表面涂层的技 术。这项技术能够使涂层材料和基体的紧密度提高,大幅度提 高基体的使用寿命、耐高温、耐腐蚀、抗压等一系列性能指标, 因此许多专家学者都致力于该技术的研究。 国内外早已先后开展了用激光制备金属陶瓷熔覆层的试 验,并对其性能参数进行细致的分析研究。在这些试验中, 即使选用的涂层和基体略有差异,试验的效果也不大相同。 V.Oeelik,D.MatthewsandJ.Th.M通过激光熔覆技术制备新型熔覆 层,对涂层和原基体材料的滑动摩擦性能进行比较,发现涂层 的滑动摩擦性能得到了提高 。瑞士S.Niederhauser,B.K,arlsson 以激光作为热源在钢基体表面熔覆co—Cr制备出新型金属熔覆 层。并通过一系列分析得出,新型熔覆层在疲劳寿命、表面硬 度、抗拉强度方面有了显著的提高 。王华明运用激光熔覆技 术制备Ti2Ni3Si/Ni3Ti涂层,经试验发现该涂层组织在硬度、耐 磨l生和耐蚀性方面有较大提高 。赵冠琳采用原位反应的方法, 将预制好的钛铁、钒铁及石墨混合物置于钢基体表面,以激光 作为热源,生成TiC—VC增强熔覆层 。武晓雷利用激光熔覆技 94 信息系统工程I 2017 12 20 术制备TiC熔覆层,经试验数据表明,该涂层的显微硬度及耐 磨损性能有了明显的提高 。 不过由于激光熔覆设备的成本价格及后期维护偏高,同时 各种金属材料对不同波长的激光吸收能力也不同,这些因素严 重了激光熔覆技术的发展。 1.2自蔓延技术。白蔓延高温合成(Self-propagatingHigh— tempemture Synthesis or SHS)又称作燃烧合成,是二十世纪中期 出现的一种制备材料的方法,该反应是是利用放热原理,将加 热到一定温度的燃烧物通过混合反应物,由局部燃烧蔓延到整 个体系,合成所需材料的反应。目前SHS技术引起了欧美及亚 洲各国的注目,同时我国众多的研究单位也进行了SHS技术的 研究,国家更将SHS技术列入热点研究项目,迄今为止,研究 人员已使用SHS技术制备m多种材料,例如:硅化物、金属间 化合物、碳化物、硫化物等。 王洪涛采用自蔓延高温合成的方法来制备AL 中间 合金,在制备前将碳粉与钛粉进行充分的混合,由于自蔓延反 应的缺陷,反应发生时粉末材料的液态时间短,并由于AL3Ti 和TiC相在燃烧过程中发生原位反应,使较小的尺寸存在于铝 基体的晶界,而来不及长成较大的颗粒,会形成有效的形核质 点细化晶粒,同时反应时的高温会蒸发掉一部分杂质,提高产 物的纯度 。近年来也出现了利用自蔓延高同热喷涂技术相结 合的复合技术,该技术是将自蔓延反应的合成物经雾化喷射 到基材表面,与基体发生反应,从而形成合金涂层的方法。 HuiyuanLiu就是利用该新型技术,将 — —c合金粉末喷涂到 基体表面得到TiC合金材料,经试验对比发现,该合金涂层的 硬度较反应前有了大幅度的提升,同时合金材料的耐磨性能也 得到了提高 。 自蔓延合成技术(SHS)和传统工艺相比较具有明显的优 越l生:一是制作工序简单、设备容易上手;二是反应时间迅速、 生产周期短;三是能源耗低;四是杂质少、生成物纯度高。但 是该方法需要以高度提纯的金属粉末为原材料,并不适合大规 模化生产,同时由于该反应速度过快,会导致实验过程人为无 法控制,存在应力集中的危害。 1_3热喷涂技术。热喷涂技术是将涂层材料经雾化后喷射 到基体表面,形成新型合金材料的技术。气体火焰喷涂和电弧 喷涂技术是目前常见的两种热喷涂技术,该技术可以对基体表 面的耐磨性、耐腐蚀性进行重点强化,以此延长零部件的使用 寿命,同时还可以快速的对损坏的零部件进行修复,达到1_作 !里 垫 堕 . :: >> 需求基本的要求。 热喷涂技术的理论基础在国内外发展的比较完善,在工业 应用方面也相对广泛。如Harsha采用氧乙炔火焰热喷涂的方法, 使喷涂在低碳钢基体表面熔覆WC,得到了WC增强的合金涂 层材料,并通过相关实验发现,该涂层的硬度、耐磨损性能得 到显著的提高[91o Mplanchelso为分析Ni-.-Cr ̄B-.-Si颗粒特征与涂 层材料组织性能之间的关系,采用了不同的热喷涂方法进行实 验对比,以此得出最佳的参数指标 。但是,热喷涂技术也有 明显的技术缺陷,与其他技术相比,热喷涂技术制备的涂层与 基体结合的紧密度较差,适应恶劣工作环境下的能力不足。 1.4熔覆技术。熔覆技术是指采用手工电弧焊、宽带极熔 覆等不同的焊接方法在金属基体表面熔覆一层特定性能的合金 材料,在电弧熔化的过程中,使焊芯、药皮、宽带极等带有特 殊成分的焊接材料进入到金属基体中,以此提高基体的特定性 能。熔覆技术相对其他技术而言,它具有工艺简单,操作方便, 对工作的环境和场所较低等特点,因此该工艺在国内外应 用较广,主要适用于零部件的修复、耐磨性强化等领域。 如杨尚磊研制了一种新型焊条,焊接后,使基体获得高硬 度、抗耐磨的合金涂层,并且该焊条在焊接时不需要提前预热 [1110 ArVindA.garival利用熔覆技术在钢基体表面熔覆了一层TiBZ 的合金涂层,经相关实验发现,该合金具有良好高硬度、抗耐 磨等力学性能,应用前景十分广泛 。 但是熔覆技术的缺陷也非常明显,就是在焊接过程中咬边、 气孑L、夹渣、裂纹等熔焊缺陷发生的概率不小,并且增强相的 效果也低于其他表面技术,这大大了熔覆技术的应用。 1.5等离子熔覆技术。等离子熔覆技术是以联合型或转移 型等离子弧作为热源,将基体表面和合金粉末同时熔化,在基 体表面形成合金熔池,通过一系列反应后制备熔覆层的一种方 法。与激光、热喷涂等技术相比,等离子熔覆技术具有稳定性好, 热量集中,参数可控等特点。通过对参数的调整可获得熔宽窄、 熔深浅的熔覆层。等离子弧熔覆技术具有以下特点: 1)复合熔覆层质量稳定性高,工程应用可靠性强。最新 研究发现等离子弧熔覆技术可获得无气孔、无裂纹、无溶解、 无碳化物烧损的熔覆层,且碳化物颗粒均匀分布在熔覆层中。 2)熔覆层耐磨性高,使用寿命长。等离子熔覆技术可大 大提高熔覆层的耐磨性,与原始基体相比较,合金涂层的耐磨 寿命提高了几倍,更加适用于工作环境恶劣的场所。 3)结合硬度较高。熔覆技术的熔覆层与工件表面为冶金 结合,冶金结合的硬度较高,是热喷涂层结合强度的一倍,因 此可以满足工程实践中的高强度要求。 4)熔覆层具有一定的抗冲击性。合金熔覆层耐磨性明显 得到提高,可以避免熔覆层剥离破碎现象的发生,大大延长了 使用寿命。 因此,等离子熔覆技术能够基本满足工业生产中对金属涂 层稳定性、耐磨损、硬度、抗冲击性等苛刻要求,同时与其他 表面制备技术相比,等离子熔覆技术性价比非常明显。国内外 学者对等离子熔覆技术的研究比较多。刘政军采用等离子弧熔 覆技术,对放置在基体上的高碳铬铁、硼、铬合金、钨粉和钒 铁等合金粉末进行熔覆,经过一系列的试验发现,熔覆层的耐 磨性能得到了显著的提高,并通过合金粉末的不断优化,最终 实现了Ni60等镍基熔覆层的效果 。王晓峰运用等离子熔覆技 术制备含TiB2金属陶瓷表面涂层,用电镜设备观察涂层组织结 构时发现,涂层是以TiB2晶体作为骨架,而由微量元素组成的 混合组织填充于该结构[14]0彭竹琴是利用等离子熔覆技术在铸 铁基体表面制备耐磨熔覆层,并对熔覆层的组织性能进行详细 的分析,发现熔覆层的显微硬度可达600~1200HV 。赵昆利用 等离子熔覆技术在铁基体表面制备WC金属熔覆层,并对该熔 覆层的微观组织结构进行观察,发现熔覆层中WC合金颗粒分 布均匀,试验效果明显,且WC颗粒的硬度得到了保持,试验 效果非常显著 o 二、熔覆层强化材料研究 金属基复合材料和自熔性合金材料是目前常用的熔覆层表 面材料,金属基陶瓷复合材料具有强度高、硬度高、可靠性好、 耐磨性良好等特点,与大多数金属增强相的物性匹配非常高。 同时,金属复合材料的性能由相界面的结合强度、陶瓷晶粒间 的金属层厚度和晶粒尺寸决定,其功效的提升也十分显著。因 此,金属基复合材料是表面材料的首选。 2.1熔覆层增强相的选择。熔覆层增强相的选择主要由增 强相材料的抗压、硬度、熔点、密度、热稳定性、价格等综合 参数来决定的。此外,还需要综合考虑增强相与基体的物性匹 配、界面结合以及与液态金属之间的润湿等相互关系。 不同的增强相和同一种基体材料制备的复合金属,在组织 结构和力学指标方面也会存在差异。碳化钛钢结硬质合金以钢 为粘结剂,同时继承了硬质合金和钢的优点,并具备了硬质合 金的抗磨损、高硬度的特性,碳化钛钢结合金具有明显的优点: 1)成本造价低,原材料产量丰富,制备工艺相对简单;2) 达到一定温度时可发生塑形变化,使用性良好;3)较WC合金 硬度更高,具有较高的热稳定性,抗高温氧化l生能良好;4)碳 含量具有较高的灵活性,能在较大的范围内波动;5)TiC密度 f4.90g/cm ̄仅为WC的1/3,在抗耐磨f生方面方面具有明显优势。 2.2 TiC基钢结硬质合金的组织特眭号性能。余玖明指出, 纯Fe条件中的WC溶解度在温度达到1250℃时能够达7.0%, 而TiC溶解度则是0.5%;液体Fe对TiC的润湿角在1500 ̄C的 真空条件下为41。,而对WC的润湿角在1490 ̄C的真空下则为 c。因此,WC材料与铁基体之间能够相互作用、相互渗透、 相互影响,有利于形成更加紧密的金属界面。为优化WC与钢 基体之间的润湿性,同时为削弱硬质相颗粒长大的作用,可以 其中添加适量的Mo合金元素[17}0吴强通过对TiC一50Nb钢结硬 质合金研究发现,在TIC硬质相与钢基体烧结的过程中,会出 现两者之间相互扩散的现象,并且形成了规律生长的TiC晶体 小凸起,在进一步试验中发现,这些晶体会增强TIC和钢基体 之间的结合强度flel ̄ 伍春花发现CeO2和Fe—R E中间的合金对TIC基钢合金 的合成有一定的影响作用,如果是在钛粉和碳粉混合阶段,给 合金混合物添加适量的 —R E中间合金,可实现脱氧保碳的 信息系统工程I 2017.12 20 95 TECHNOLOGY 技术应用 效果,进一步提高合金的密度、降低孑L隙度以及抑制硬质相的 生长的效果[19]0 2.3 TiC基钢结硬质合金的力学性能。尤显卿发现合金中硬 质相粒子的大小及分布状态会影响钢结硬质合金表面热疲劳裂 纹扩展的方式,对于小粒子硬质相,裂纹能够直接穿透其聚集区, 而对于较大的粒子硬质相,裂纹是不能直接穿透的,而裂纹扩散 方路径是沿着基体的界面 。在冷热循环过程中,通过对合金中 WC含量的,可以使钢基体中WC粒子能够以小颗粒的形式 均匀的分布,不仅大大减少钢基体相中的孔隙大的问题,同时还 会增加合金的耐高温的l生能,也会减少基体裂纹的形成概率。这 也是在TiC基合金合成中可以参考借鉴的地方 。 杜晓东发现硬质相剥落引起了WC基钢结硬质合金的磨 损,硬质相剥落的原因为是硬质相与基体产生裂纹并且裂纹扩 展,同时硬质相与硬质相交界面产生裂纹并扩展,因此在研究 TiC基钢结硬质合金磨损机理的时候可以借鉴 。杨瑞林对钢 结合金的耐磨性进行了研究,发现碳化物的数量和类型都会对 合金的耐磨性产生一定影响:在碳化物的类型及数量相同的情 况下,合金的耐磨性则南基体的组织形态和硬度大小来决定的, 其他因素的影响可以忽略不计;而在静载和动载这两种测试条 件下发现,材料的耐磨性主要由基体的硬度来决定的。在滑动 干摩擦条件下,合金的磨损主要表现是表层剥落现象的发牛, 主要是因为合金的组织结构发生了弹塑性变形,而裂纹在弹塑 性的作用下逐渐产生,然后进一步发生扩散,最终导致合金发 生表层剥落现象。因此,耐磨性与合金的韧性必然存在联系 。 刘舜尧发现粘结相中Mn、Fe元素的低含量是造成TiC基 高锰钢结硬质合金在使用过程中发生碎裂现象的主要原网 。 文献指出DGJW40钢结合金的冲击韧度变化决定了该材料的耐 磨性变化,因此增强材料的耐磨性的主要途径就是提高该合金 的冲击韧度 。陈兆盈 通过对TiC基高锰钢合金的制备,发 现要合理正确的选择硬质相含量,同时要适当的添加Ni、Mo 合金,并且要不断的调整粘结剂中碳与锰的比例;其次,在制 备合金的过程中,球磨工艺是否能够将粉末完全充分}昆合也非 常重要。另外值得关注的是,Mn在高温烧结阶段的挥发问题。 三、结论 TiC熔覆层具有熔覆层耐磨性高、结合强度好、加T和成 型容易、结构和性能易等优点,是一种应用前景广阔的表 面强化技术。啪 参考文献 『1]孙希秦.材料表面强化技术 以J北京:化学工业出版社,2(X)5. 『2]Ocelik V,Matthews D,De H,et a1.Sliding wear resisatnce ofmetla iTmtrix composite layers prepared by high power l*ser[1].Surface and Coatnigs Technology, 2(X)5,197(2—3):303—315 【3]Niederhauser S,KMsson B.Mechaafical properties oflaser chdded steel UJ. 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