低压冷喷涂热处理复合处理制...物涂层及其滑动磨损特性研究_刘志凯.pdf

低压冷喷涂热处理复合处理制备 金属间化合物涂层及其滑动磨损特性研究刘志凯，沈耿哲，刘灿森，张留艳，郑之栋，刘凯燚，揭晓华（广东工业大学材料与能源学院，广东 广州）摘 要 为制备出以 为主相的金属间化合物涂层，将 粉、粉和 粉按质量比 混合均匀，利用低压冷喷涂方法将混合粉体喷涂到 钢基体表面，制备 预涂层，再将预涂层在 氩气环境下保温 ，采用 射线衍射（）和扫描电镜（）对涂层组织和物相进行了分析与表征，测试了涂层的结合力和滑动摩擦磨损特性。结果表明：预涂层经热处理转变为 金属间化合物涂层后，表现出良好的减摩、耐磨性能。涂层中 和 固相转变为金属间化合物的驱动力是热处理提供的热能和粉体强烈塑性变形后的形变能的共同作用。关键词 冷喷涂；金属间化合物；摩擦磨损中图分类号；文献标识码 ：文章编号（），（，）：，（）（），：；收稿日期 通信作者 刘灿森（），博士，讲师，主要研究方向为表界面技术及抗磨耐蚀材料的制备和应用，：前 言在特定条件下，金属 和 之间可以生成、和 一系列不同的金属间化合物，这些金属间化合物的共同特点是同时具备金属的韧性和陶瓷的耐高温性能，因而在高温服役场合具有良好的应用前景。近年来的研究表明，金属间化合物具有良好的抗高温氧化和高温腐蚀性能，在高温防护领域具有广阔的应用前景，但其不足之处是室温脆性较大而难以成形加工，显然，通过制备 涂层来推进其工程应用是一条可行的途径。目前 涂层的制备方法较多采用先电镀 再渗，在渗 过程中获得 涂层，但电镀 工艺要求较高，而且制备的涂层的厚度范围为几十至几百个微米，不适合需要较厚涂层的服役场合。针对上述制备方法的不足，本研究将 粉、粉 和 粉进行混合后利用低压冷喷涂技术将混合后的粉体喷涂到 钢基体表面，制备出 预涂层。然后将预涂层在惰性气体保护气氛中 保温，制备出以 为主相的金属间化合物涂层，分析了该涂层的组织演变并着重讨论了其滑动磨损性能。试 验 喷涂粉末选用 粉（）、粉（）和 粉（）作为冷喷涂原材料，种粉体的 形貌见图。图 粉体的 形貌 粉以光泽的球形为主，在大颗粒表面附着有少量的小颗粒；纯 粉为表面粗糙的长鹅卵石状；粉则是带锋利边角的颗粒状。的加入主要是为了提高冷喷涂过程中粉体的流动性和增强涂层的耐磨性。涂层的制备选用 钢作为冷喷涂的基体材料，尺寸为 。在冷喷涂前，钢基体表面首先经过喷砂处理，接着置于酒精和丙酮的溶液中进行超声清洗，以清除其表面的污渍和油脂。将 粉、粉和 粉以质量比 加入混粉机进行充分混合，其中粉体配比是参考原子比并结合涂层沉积效率进行选定。采用 型超音速低压冷喷涂系统进行喷涂制备 预涂层，所用压缩空气的压力为 ，温度 ，喷枪的移动速度为 ，喷嘴距离基体表面 。预涂层的热处理将经过冷喷涂制备的预涂层置于管式炉中并在氩气保护下对其进行保温处理来促进 金属间化合物发生固相转变，热处理工艺为：管式加热炉从室温以 的升温速率加热至 并保温 后随炉缓慢冷却至室温。涂层的表征采用 场发射扫描电镜（）对涂层的微观形貌和组织特征进行观察，利用扫描电镜配备的能谱仪分析涂层的化学成分。采用 射线衍射仪（）对涂层的物相进行分析。使用 型维氏显微硬度计测定涂层的硬度，载荷为，时间为 ，每个硬度数据取 次不同位置测定的平均值。使用 型涂层附着力自动划痕仪测量涂层的与基体的结合强度，动态加载载荷为 、加载速率为 、划痕长度为 。利用 型摩擦磨损仪研究涂层的滑动磨损特性，对磨球是半径为 的，旋转半径为 ，时间为，载荷为 ，转速为 ，大气环境，室温，干摩擦。使用 激光共聚焦显微镜测定磨痕的横截面积，利用公式 （）计算得到热处理前后涂层磨损率，其中：为磨损率，（）；为磨损体积，；为摩擦距离，；为加载载荷，。结果与讨论 涂层的组织形貌与物相图 为热处理后涂层的截面 形貌和主要元素的 面扫描结果。由图 可见，涂层与基体表现出不同的组织特征，其中涂层由多个扁平颗粒紧密结合而成，是典型的喷涂涂层组织，这是因为冷喷涂方法制备涂层的形成机理是通过压缩空气带动粉体以超音速的速度撞击基体表面，粉体受撞击而产生强烈的塑性变形而扁平化。变形的颗粒与基体之间及不同颗粒之间相互嵌合而最终形成涂层。由图 还可看出，涂层与 钢基体结合较紧密，界面无明显缝隙。面扫描结果表明，涂层中主要均匀分布着 和 元素，而基体主要以 元素为主，符合涂层与基体材料的成分设计。图 涂层截面 形貌与能谱面扫描 图 是预涂层经热处理后的 谱。由图可见该涂层主要由组成，还含有少量的、和等物相。是为了增强冷喷涂过程中粉体的流动性而加入的，而少量的单质 相则是固相反应不完全所剩余的。图 热处理后涂层 谱 预涂层在 热处理过程中会因金属原子在加热条件下活性的增加而发生单质 和 向类金属间化合物的固相转变。文献采用电镀 再 浆料包渗 制备 涂层的方法，本试验将预涂层在较低温度（）下进行 的保温处理，也制备得到了 涂层。这是因为预涂层除了在热处理过程中获得热能外，在冷喷涂过程中 和 所发生的强烈的塑性变形而产生的大量形变能会储存在金属晶体中，增加 和 的晶体内能，而形变能作为固态相变的驱动力会促进 和 之间的固相反应，。此外，冷喷涂 预涂层中所存在的大量高密度位错、剪切带和亚晶等亚稳态结构也会增加 和 的晶体内能，促进其固态相变，。陆必志等研究表明，类金属固相反应生成物的顺序为。预涂层中的 在热能和形变能的协同作用下会向富 区进行扩散并与 发生反应生成。而生成 的反应会放出大量的热促使 继续向富 区扩散与 原子反应生成。该反应同样是放热反应会促使 再向富 区扩散并反应生成，并最终由 转变成。众所周知，金属发生固态相变反应的速率要远低于液相反应的速率，因此，在本试验的热处理工艺条件下，主要发生了 相变，生成相，而后续的 再向富 区扩散并生成 的过程难以充分进行，故涂层中 相很少。涂层的性能 硬 度试验测得，预涂层的硬度约为 ；经过热 处理后，涂层硬度约 ，是未经热处理的预涂层硬度的 倍多，涂层硬度明显提高。如上所述，经过热处理后，预涂层中的 和 会发生相变反应生成金属间化合物，从而使涂层的硬度明显提升，这也进一步验证了涂层经热处理后发生了相变反应生成金属间化合物。结合力相比于未经热处理的涂层（与基体结合力为），经热处理后的涂层与基体的结合力（）得到明显的提高，这是因为涂层在经过热处理保温过程中其内应力得到了消除，在结合力测试的过程中涂层不容易因内应力而开裂，从而提高涂层与基体的结合力。摩擦磨损图 给出了热处理前后涂层的摩擦系数随时间的变化关系曲线。由图 可知，未经热处理的预涂层的摩擦系数迅速上升至约 左右，并随着时间的延长缓慢上升，经过约 后，摩擦系数上升至 左右并保持该水平至摩擦磨损试验结束，平均摩擦系数约为。经热处理后涂层的摩擦系数一开始上升至 左右，并随着时间的延长而缓慢增加，经过约 后，摩擦系数上升至 左右并保持该水平至摩擦磨损试验结束，平均摩擦系数约为，相比于未经热处理涂层，其摩擦系数减低了。以上结果表明经热处理的涂层表现出更为优异的减摩性能，这是因为经热处理后，涂层中反应生成了比金属 和 粉体混合物的摩擦系数更低的，起到了减摩的作用。图 热处理前后涂层的典型摩擦系数曲线 未经热处理的涂层磨损率约为（），而经热处理后的涂层磨损率为 （），经热处理的涂层磨损率明显降低，是未经热处理涂层磨损的，说明热处理可显著提高涂层的耐磨性能。图 给出了经热处理前后的涂层摩擦磨损试验后的表面磨痕 和三维形貌。图 热处理前后涂层磨痕表面 和三维形貌 由图 可见：未经热处理的预涂层的磨损表面粗糙，磨痕较宽且深，沿着摩擦滑动方向呈现出明显的犁沟和大量的磨屑堆积，说明该涂层发生了严重的黏着磨损和磨粒磨损。而经热处理后的涂层的磨损表面相对比较平整，磨痕变得窄且浅，沿摩擦滑动方向未观察到明显的犁沟，说明涂层的抗磨性能得到提升。这是因为热处理后，涂层中生成硬度更高的 金属间化合物，提高了涂层的硬度并增强其耐磨性能。但涂层磨痕表面仍观察到黏着的现象，这是因为 球的显微硬度约 ，比涂层硬度高。在摩擦磨损的过程中，高的剪切力会导致硬度低的涂层材料的脱离形成磨屑并在摩擦过程中反复发生黏附并脱离，形成黏着磨损。结 论（）低压冷喷涂制备的 预涂层通过 和 的热处理可以转变为以 为主相的金属间化合物涂层。相对较低温度下 和 固相转变为金属间化合物的相变驱动力是热处理提供的热能和粉体强烈塑性变形后的形变能的共同作用。（）经低压冷喷涂结合热处理制备的 金属间化合物多相涂层表现出良好的减摩和抗磨性能。相比摩擦系数为 和磨损率为 （）的未经热处理涂层，经热处理的涂层其摩擦系数和磨损率分别降低为 和 （）。参考文献 陆必志，龙坚战 金属间化合物合成机理的研究硬质合金，（）：，（）：李 旭，王 强，牛文娟，等热处理对冷喷涂 沉积体组织和力学性能的影响稀有金属，（）：，（）：黄春杰，李文亚，余 敏，等冷喷涂制备颗粒增强钛基复合材料涂层研究材料工程，（）：，（）：郭建亭金属间化合物 的研究进展中南大学学报（自然科学版），（）：（），（）：侯世香，刘东雨，刘宗德，等 金属间化合物的研究概述金属热处理，（）：，（）：吴道洁，王静，朱诚意，等铁素体耐热钢表面 复合防护涂层的长期热稳定机理中国科技论文，（）：，（）：王红星，盛晓波，储成林，等铜表面 涂层高温抗氧化性能与组织转变研究材料热处理学报，（）：，（）：王月香，刘振宇，王国栋，等 双相不锈钢热变形过程中形变诱导相变的探讨扎钢，（）：，（）：厉春元，唐明华，刘志义低碳钢形变诱导铁素体相变技术南华大学学报，（）：，（），（）：张延峰，郝春成 金属间化合物纳米粒子的制备及表征 青岛科技大学学报，（）：，（），（）：，（）：编校：郑 霞