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金属陶瓷复合涂层技术 1 金属/陶瓷复合层的界面组合 金属陶瓷修复技术是一项重要的现代材料表面处理技术和材料复合技术。 对金属陶瓷复合涂层进行材料设计时,材料体系的合理选择十分重要。选择材料体系除了考虑复合涂层的使用性能要求,还应考虑陶瓷颗粒与合金基体(matrix)之间的物性匹配、颗粒与液态金属之间的浸润及化学反应、涂层与基材(substrate)之间的界面结合等,以便获得复合组元之间物理力学性质的最佳组合。不同的基材与陶瓷—合金混合粉末组成的系统,形成的复合层的组织结构及性能相差甚远。金属/陶瓷系统的合理组合是获得理想复合层的关键。此外,为提高颗粒与合金基体之间的结合强度和抑制涂层制备过程中陶瓷相的过分溶解,也可考虑在陶瓷颗粒表面预先镀上一层扩散阻挡层或采用复合粉末。 2 热喷涂涂层的组成 热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择;二是热喷涂过程中工件温度可保持在100~260℃,从而减少了变形、氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失。这些特征以及热喷涂涂层所具备的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、绝缘、隔热等特殊功能,使热喷涂技术得到迅速发展。 目前中国有四十多个厂家生产各类热喷涂材料上百种。基本可分为八大类:耐磨抗磨材料;防腐材料;耐高温抗氧化材料;自熔性合金;自结合材料;自润滑材料;其它。在热喷涂涂层中,最主要的应用之一是抗磨损涂层。抗磨损涂层的选择要考虑到多种因素。工件的磨损方式和磨损过程是确定涂层种类的关键,其它因素如基体成分、工作条件和环境条件等,也都必须仔细慎重考虑,这是获得理想性能涂层的前提。工件的磨损通常是几种机械磨损和化学磨损机制共同作用的结果,因此每种涂层在实际应用之前必须进行性能评价。 热喷涂保护涂层的材料组成体系主要有:WC-Co、WC-NiCrBSiC、WC-Ni、TiC-Ni、Cr3C2-NiCr、Cr3C2-MoCrAlY、NiCrBSiCAlMo、NiCrBSi、Co-Mo-Cr-Si、Mo-NiCrBSi、Cu-Ni-In、CoNiCrAlY、Ni-C、NiCrAl、NiTi、Cu-Ni、Al-青铜、Cr2O3、Al2O3、Al2O3+TiO2、Cr2O3、TiO2、ZrO2、Stellite、T-800、T-400、316SS、HAP、FAP等。 新型抗磨损热喷涂粉末的典型代表是含有τ相的三元硼化物,另一类是Tribolite合金粉。另外,含有WC、TiC、VC、NbC和TaC的NiCrBSi硬质合金粉作为抗磨损热喷涂粉末已成功获得应用。这些粉末涂层之所以具有优异的抗磨损特性,除了直接加入的硬质相,如WC、TiC的作用外,在合金粉末内部还形成了大量的硬质粒子,包括金属间化合物、复合碳化物、硼化物,如Ni3Al、Fe3Al、TiAl、TiB、Ti2AlC和Cr2AlC等。 Cr3C2增强的复合材料涂层主要用于抗高温磨损和腐蚀的部件,如涡轮机叶片、喷嘴、阀、隔板、火电站锅炉、轴承表面硬化等。Cr3C2和WC都是复合粉末中的硬质相,选择依据是工作环境和温度。尽管WC比Cr3C2硬,但在高温下Cr3C2比WC稳定,同时Cr3C2的热膨胀系数与Fe与Ni很接近,因此,Cr3C2系列涂层非常适于Fe基和Ni基高温合金的表面热喷涂。 石油工业要求涂层具有抗腐蚀气体(如氯化物、硫化物等)持久腐蚀的性能。随着低耐腐蚀性高强钢(AISI4130)在石油工业中的使用,更需要研究新涂层来降低腐蚀速率。采用G-G高速等离子系统喷制的GGWC102(WC-Co)和GGWC211(WC-Cr-Co)涂层具有高密度、低孔隙度、高粘结强度和优异的耐滑动摩擦特征。新型热喷涂粉与G-G喷涂系统的有效结合,成功地克服了石油化工工业存在的难题。WC-Co涂层具有高的杨氏弹性模量和断裂韧性,适用于防止机翼折翼表面的摇摆疲劳磨损。 2.1 硼硅涂层材料 自熔合金系指熔点较低,流动性好,在高温形成涂层时有良好浸润性并于熔融过程中靠合金中的硼、硅能自行脱氧造渣使涂层受到保护的一类合金。这类合金在凝固会形成含有弥散相的母体并嵌有大量第二相硬质点的组织,故有较高的硬度和强度。基体金属是镍、钴和铁等,主要合金元素是铬,为降低合金的熔点加入较多的硼和硅。合金中有时加入少量的铜、钒或铌以增加其耐磨抗蚀性能。另一个重要的合金元素是碳。硼和硅的加入还能扩大固相和液相之间的距离,并可与常用的几种母材生成低熔点共晶。Ni-B共晶熔点为1070℃,Co-B为1095℃,Fe-B也仅有1140℃,大大低于这三种金属的熔点,从而保证烧结时合金有良好的流动性。硼和硅又是较强的还原剂,在各种温度下生成的氧化物都比镍、钴和铁的氧化物稳定。因此,在高温熔烧过程中可以清洁基材表面,保证涂层材料有良好的浸润性。硼和硅的氧化物主要成分是