热喷涂TiB2-Ni复合涂层组织结构和力学性能

第３５卷第１１期２０１４年１１月

焊　接　学　报

ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ

Ｖｏｌ．３５　Ｎｏ．１１Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２０１４

收稿日期：２０１３－０４－１７

基金项目：北京市自然科学基金重点资助项目（２１０１００３）

热喷涂TiB 2－Ni 复合涂层组织结构和力学性能

祝弘滨１，２

，　李　辉１

，　栗卓新

１

（１．北京工业大学材料学院，北京　１００１２４；２．北京矿冶研究总院，北京　１００１６０）

摘　要：采用团聚烧结方法制备ＴｉＢ２－Ｎｉ复合粉末喂料，并采用大气等离子喷涂和高速火焰喷涂两种喷涂方法制备了ＴｉＢ２－Ｎｉ涂层，比较分析了两种涂层的显微组织、物相组成、孔隙率、硬度和断裂韧性．结果表明，与等离子喷涂相比，高速火焰喷涂制备的ＴｉＢ２－Ｎｉ涂层具有更高的致密度，ＴｉＢ２含量，硬度和断裂韧性．两种涂层中ＴｉＢ２都没有发生明显的脱硼，氧化，但等离子喷涂过程中ＴｉＢ２向金属相中发生了溶解生成了大量脆性Ｎｉ２０Ｔｉ３Ｂ６相，并降低了涂层中ＴｉＢ２的含量，这是涂层硬度和断裂韧性相对较低的主要原因．关键词：ＴｉＢ２－Ｎｉ涂层；大气等离子喷涂；高速火焰喷涂；Ｎｉ２０Ｔｉ３Ｂ６

中图分类号：ＴＧ１７４．４４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３－３６０Ｘ（２０１４）１１－００４３－０４

０　序 言

金属陶瓷复合涂层是由高硬度的陶瓷相和高强

韧性的金属相复合而成．传统的热喷涂金属陶瓷涂层包括ＷＣ－Ｃｏ，Ｃｒ３Ｃ２－ＮｉＣｒ等，它们被广泛用于飞机

起落架，造纸辊等工程耐磨领域［１］

．通常ＷＣ和

Ｃｒ３Ｃ２的硬度分别为２２１０和１７２０ＭＰａ［２］

，因此，ＷＣ－Ｃｏ涂层的硬度和耐磨性要高于Ｃｒ３Ｃ２－ＮｉＣｒ涂层，但在高于４５０℃的有氧环境下ＷＣ系列涂层性

能退化［３］

．为了获得力学性能和耐磨性能更优良的涂层来满足日益苛刻的表面防护需求，众多学者已经开始研究以硼化物，氮化物为陶瓷相的新型金属陶瓷涂层材料．ＴｉＢ２具有硬度高（３６５０ＭＰａ）、密度小（４．５２ｇ／ｃｍ３

）、抗氧化性能好（１６７３Ｋ以上才剧

烈氧化）［４］

等特点，被认为有望替代ＷＣ，Ｃｒ３Ｃ２等用于金属陶瓷涂层，已有的研究报道ＴｉＢ２基涂层具有

比Ｃｒ３Ｃ２－ＮｉＣｒ涂层更好的耐磨性能［５］

．

目前，用于制备传统金属陶瓷涂层的喷涂技术主要是大气等离子喷涂（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｌａｓｍａｓｐｒａｙ，ＡＰＳ）和高速火焰喷涂（ｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｏｘｙｇｅｎｆｕｅｌｓｐｒａｙ，ＨＶＯＦ）．其中，ＨＶＯＦ相对ＡＰＳ温度更低，速度更快，会显著减少碳化物的氧化和脱碳反应；而

ＡＰＳ温度更高，通用性更好，颗粒熔化更充分［６］

．在传统金属陶瓷涂层的喷涂研究中，喷涂方法往往对涂层组织结构和性能造成明显影响．作为一种正在研究开发的金属陶瓷体系，热喷涂ＴｉＢ２基金属陶瓷

涂层的研究仍然较少，涂层组织结构和力学性能变

化与喷涂方法之间的联系仍未被揭示．一定程度上制约了ＴｉＢ２基金属陶瓷涂层的深入研究．选用镍作为ＴｉＢ２粘结相制备ＴｉＢ２－Ｎｉ团聚烧结型热喷涂喂料，并采用ＡＰＳ和ＨＶＯＦ分别制备ＴｉＢ２－Ｎｉ金属陶瓷涂层，比较两种涂层在组织结构和力学性能上的差异，以期揭示涂层组织和力学性能与喷涂方法之间联系．

１　试验方法

1．1　喷涂喂料制备

采用市售ＴｉＢ２粉（２～６μｍ）和镍粉（２．２～２．８μｍ）作为原料粉末，将质量配比为６０∶４０的ＴｉＢ２粉和镍粉以５０％（质量分数）固含量与一定量粘结剂和分散剂加入去离子水中球磨制成料浆，将料浆泵入ＧＬＰ－５型离心式喷雾干燥机中得到团聚型粉末．最后将团聚型粉末在氢气氛炉中进行１０５０℃烧结热处理制成团聚烧结型６０ＴｉＢ２－４０Ｎｉ热喷涂喂料，并分别筛选４５～８８μｍ和１５～４５μｍ的粉末用于ＡＳＰ和ＨＶＯＦ．

1．2　涂层制备

采用Ｍｅｔｃｏ９Ｍｂ等离子喷涂和ＧＴＶ－ＧＬＣ７２０型高速火焰喷涂设备分别制备６０ＴｉＢ２－４０Ｎｉ涂层．喷涂前对不锈钢基体进行喷砂预处理及丙酮超声波清洗，以获得高活性粗糙表面，并对基体进行１５０℃预热．每种涂层喷涂３００μｍ厚．工艺参数如下．

ＡＰＳ：氩气／氢气（ＳＬＰＭ）＝４０／１０，电流５５０Ａ，电压６０Ｖ，喷距１００ｍｍ，送粉率２０～２４ｇ／ｍｉｎ；