冷喷涂铜基金刚石复合涂层的结构与性能_刘树宇.pdf

第 27 卷第 6 期 粉末冶金材料科学与工程 2022 年 12 月 Vol.27 No.6 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Dec.2022 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.2022057 冷喷涂铜基金刚石复合涂层的结构与性能 刘树宇1，彭英博1,2，高沛然1，谭彦妮1，张伟1 (1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2.南京农业大学 工学院，南京 210031)摘 要：钛合金因高比强度广泛应用于航空航天领域，但滑动摩擦性能较差，严重影响相关构件的寿命。表面改性是改善钛合金摩擦行为的常用手段，金属基金刚石复合涂层是其中一个重要研究方向。本文采用喷雾造粒结合冷喷涂在 TC18 合金表面制备致密的铜基金刚石复合涂层，研究复合粉末的冷喷涂沉积原理以及涂层热处理前后的微观结构与力学性能。结果表明，喷雾干燥制备的金刚石/铜复合粉末达到冷喷涂工艺要求；通过冷喷涂沉积，金刚石弥散分布在涂层中，质量分数为 0.74%，且未发生损伤与石墨化；冷喷涂态金刚石/铜涂层具有优异的电导率和较高的硬度；涂层磨损形式为剪切断裂和剥离；600 热处理后复合涂层硬度(HV)降低至 95.8，导电率提升至 89.3%IACS，涂层的摩擦行为得到改善，磨损率降低 41%。关键词：冷喷涂；喷雾造粒；金刚石；微观结构；摩擦行为；导电性 中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：1673-0224(2022)06-638-10 Microstructure and properties of cold sprayed copper-diamond composite coatings LIU Shuyu1,PENG Yingbo1,2,GAO Peiran1,TAN Yanni1,ZHANG Wei1 (1.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China;2.College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)Abstract:Titanium alloys are widely used in aerospace due to their high specific strength,but the sliding friction performance is poor,which seriously affects the life of related components.Surface modification is a common method to improve the friction behavior of titanium alloy,and the metal-based diamond composite coating is one of the important research directions.In this paper,dense copper-based diamond composite coating was prepared on the surface of TC18 alloy by spray drying powder combined with cold spraying.The principle of cold spray deposition of composite powders and the correlation between microstructure and mechanical properties of coatings before and after heat treatment were explored.The results show that the composite powders prepared by spray drying meet the requirements of cold spraying process.After cold spraying,the diamond is dispersed in the coating with a mass fraction of 0.74%,and no damage or graphitization occurs.Cold sprayed diamond/copper coating shave considerable electrical conductivity and high hardness.The wear mechanism of the coatings is shear fracture and peeling.Afterheat treatment at 600,the hardness of the composite coating reduces to 95.8 HV and the conductivity increases to 89.3%IACS.The friction behavior of the coating is improved as well.The wear rate of the coating was reduced by 41%.Keywords:cold spraying;spray drying;diamond;microstructure;friction behavior;electrical conductivity 钛合金因其高的比强度成为航空领域难以替代的材料，广泛应用于飞机起落架、轮舱门、襟翼及减速板等关键部件。然而，钛合金的滑动摩擦性能较差，易发生擦伤破坏，表现为摩擦因数不稳定以及较高的磨损量，造成工件过早失效1。对钛合金进行表面改性以改善其摩擦磨损行为是解决这一问题最可行、且经济的途径之一2。其中，金刚石颗粒强化涂层是一种常见的涂层改性方法3。铜合金具有良好的传导性 基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4738)收稿日期：20220525；修订日期：20221010 通信作者：张伟，副研究员，博士。电话：15873123460；E-mail: 第 27 卷第 6 期 刘树宇，等：冷喷涂铜基金刚石复合涂层的结构与性能 639与摩擦磨损性能4，大量研究者在钛合金和铝合金表面制备铜基金刚石复合涂层，发现弥散分布的金刚石颗粒能进一步改善铜的耐磨性能56。且随着金刚石尺寸降低至亚微米与纳米级，减摩作用更为明显，可显著降低材料磨损率78。因此，微纳米级金刚石强化铜合金涂层在提升工件寿命方面具有巨大潜力。冷喷涂是一种低温固态沉积工艺，具有抗氧化、避免热损伤和组织遗传等优点，是目前制备铜基复合涂层最理想的方法之一9。鉴于冷喷涂极强的组织遗传性，制备结构可控的金刚石强化铜合金涂层强烈依赖于复合粉体的设计。许多研究者采用机械混 合1011、包覆1213、球磨造粒1416、团聚黏附17等方法结合冷喷涂工艺制备金属基复合粉末。但以上方法各有局限性，例如，机械混合粉末无法直接沉积亚微米级和纳米级的硬质颗粒；包覆法无法包覆微米级以下的金刚石粉末；冷喷涂球磨复合粉末可以获得亚微米级弥散结构涂层，但球磨工艺复杂，沉积率太低。因此，要获得性能优异的冷喷涂颗粒强化金属基复合涂层还须不断探索复合粉体制备新技术。其中，喷雾造粒法经济有效，已用于制备冷喷涂 CNT/Al 复合涂层17，是一种潜在的铜基复合材料冷喷涂喂料的制备技术。本文采用喷雾造粒方法制备金刚石/铜复合粉末，随后通过冷喷涂制备亚微米金刚石/铜复合涂层。研究喷雾造粒复合粉末的冷喷涂沉积过程，并研究复合涂层热处理前后的显微组织与力学性能。1 实验 1.1 喷雾造粒 选择商用超细电解铜粉与亚微米金刚石为原材料，两种粉末的显微形貌及激光粒度分布如图 1 所示。超细电解铜粉粒径分布在 2.7510.30 m 之间；亚微米金刚石粒径分布集中，主要在 0.561.23 m 之间；两种粉末外观为不规则破片形状。按照金刚石含量为 1%和 2%(质量分数，%，下同)称量铜粉和金刚石。使用工业酒精为溶剂，选用 PEG 2000 与 PEG 4000 为分散剂与黏结剂。混合料浆的固含量为 70%，经充分机械搅拌后进行喷雾干燥。采用BGZ-8 型离心式喷雾干燥系统进行喷雾造粒。该系统以闭式运行，采用高纯 N2保护，喷雾干燥参数如表 1所列。图 1 原料粉末形貌及粒径分布 Fig.1 SEM morphologies and particle size distributions of original powders(a),(c)Sub-micron diamond powders;(b),(d)Commercial ultrafine electrolytic copper powders 粉末冶金材料科学与工程 2022年12月 640表 1 喷雾造粒制备金刚石/Cu 复合粉末的工艺参数 Table 1 Parameters of spray drying process of cold sprayed Dia/Cu composite powder Temperature of air intake/Temperature of air outlet/Frequency of feed pump/HzRotate speed of atomizer/(rmin1)160 110 40 12 000 将干燥后的复合粉末置于 NTG-SJL 型真空脱脂烧结炉中，脱脂保温温度为 410，脱脂保温时间为2 h；而后升温至 600 保温 0.5 h 进行预烧结。整个过程在真空条件下进行。冷却后的复合粉末具有一定强度，先后采用机械振动和气流分级系统分级，得到538 m 的金刚石/Cu 复合粉料用于后续冷喷涂。1.2 冷喷涂与热处理 以 TC18 合金为喷涂基板，用工业酒精对基板表面除油。随后进行喷砂处理，介质为粒径 1 mm 的白刚玉。采用Kinetiks4000型高速高压冷喷涂系统(CGT，德国)制备涂层，喷涂参数见表 2。随后通过机加工将喷涂态涂层从基板上分离，在真空烧结炉中进行退火，升温速率为 5/min，保温时间为 4 h，退火后随炉冷却。1.3 表征与测试 采用 TESCAN MIRA4 型(TESCAN，捷克)扫描电子显微镜的二次电子(secondary electron,SE)与背散射(back scattered electron,BSE)模式观察材料的组织结构，并使用其装配的能量散射光谱(energy dispersive spectroscopy,EDS)进行元素分析。材料的物相由D/max 2550 型 X 射线衍射仪(日本理学株式会社)进行测试分析。测试过程采用Cu靶K衍射，电压为40 kV，电流250 mA，测试扫描步长0.02，扫描速度8()/min。采用 Labram Odyssey 型激光显微共聚焦拉曼光谱仪(堀场，日本)对金刚石/铜复合粉末以及涂层中的金刚石进行测试分析。测试过程采用 532 nm 绿光光源，激光功率为 1050 mW，测试范围为 6002 100 cm1。采用 Sigma 2008A 型涡流电导率仪(厦门天研仪器有限公司)测试涂层导电率。每个样品测试 5 次以上，测量结果取平均值。材料抛光面的硬度由 HV-1000SPTA 型维氏硬度计测得，测试压力 30 N，保压10 s。涂层的抛光表面经除油烘干后用于摩擦性能测试。室温与大气条件下，通过 GHT-1000 型板球点接触环绕式高温摩擦磨损实验机(中科凯华科技开发有限公司)对材料进行摩擦磨损性能测试，测试参数列于表 3。每个试样测试 3 次