冷噴涂納米結(jié)構(gòu)cBN-NiCrAl金屬陶瓷涂層的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究.pdf

1、金屬陶瓷涂層由于具有優(yōu)異的耐磨損性能與耐腐蝕性能因而在采礦、鉆探、機(jī)械加工等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在超音速火焰噴涂和爆炸噴涂等金屬陶瓷涂層常規(guī)制備工藝中，金屬粘結(jié)相的熔化過程會導(dǎo)致粉末在沉積過程中發(fā)生諸如增強(qiáng)相分解、增強(qiáng)相向液態(tài)金屬粘結(jié)相溶解、納米顆粒消失、粉末氧化等有損涂層性能的轉(zhuǎn)變。冷噴涂是一種采用高速氣體在較低的溫度下加速粒子，使其在完全固態(tài)下通過充分的塑性變形而沉積的新型涂層制備技術(shù)。較低的氣體溫度（<800℃）可以使粉末避免

2、常規(guī)熱噴涂工藝中的熱影響，較高的粒子速度（~300-1200 m·s-1）有利于獲得組織致密的涂層。因此，冷噴涂是制備高性能金屬陶瓷涂層的潛在有效方法。但目前對于金屬陶瓷粉末沉積行為、粒子高速碰撞過程中顯微結(jié)構(gòu)演變、后熱處理對粒子間結(jié)合界面和硬質(zhì)相/粘結(jié)相結(jié)合界面等會顯著影響金屬陶瓷涂層性能等方面的系統(tǒng)性研究較少。對于陶瓷相含量一定的金屬陶瓷材料，整體材料的硬度隨陶瓷相顆粒的硬度增加而增加，耐磨損性能也隨之增強(qiáng)。因此，本文以超硬的立方氮

3、化硼（cBN）陶瓷顆粒為增強(qiáng)相（50-60 GPa）、以NiCrAl合金為基體材料，通過機(jī)械合金化方法制備復(fù)合粉末，系統(tǒng)的研究了冷噴涂金屬陶瓷復(fù)合粉末的機(jī)械合金化制備規(guī)律。通過冷噴涂沉積復(fù)合涂層，研究了粒子參量和粉末結(jié)構(gòu)對冷噴涂沉積行為的影響規(guī)律及冷噴涂粒子高速撞擊過程中cBN-NiCrAl復(fù)合粒子顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化規(guī)律；研究了熱處理溫度對涂層中cBN-NiCrAl界面結(jié)合及粒子間結(jié)合、涂層顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律；通過兩體磨

4、粒磨損試驗測試了冷噴涂cBN-NiCrAl復(fù)合涂層的耐磨性能并考察了主要磨損機(jī)制。
　　研究提出一種“階梯狀”的機(jī)械合金化方法，解決了高體積陶瓷相含量金屬陶瓷復(fù)合粉末制備過程中粉末粒度隨球磨時間迅速減小的難題。通過“階梯狀”機(jī)械合金化方法球磨40 h后可獲得cBN在NiCrAl合金基體中均勻分布，平均粒徑為22?m、NiCrAl合金基體晶粒尺寸為27 nm、cBN顆粒呈納米、亞微米多尺度分布的40vol.％cBN-NiCrAl復(fù)合

5、粉末。通過在球磨介質(zhì)表面制備 NiCrAl保護(hù)層和采用“階梯狀”機(jī)械合金化方法可以使球磨介質(zhì)引入的Fe污染從10.9wt.%降低到2.2wt.%。
　　闡明了機(jī)械合金化金屬陶瓷復(fù)合涂層的冷噴涂沉積規(guī)律。結(jié)果表明采用機(jī)械合金化工藝制備的20vol.%、40vol.% cBN-NiCrAl復(fù)合粉末通過冷噴涂可以沉積獲得結(jié)構(gòu)致密，與基體結(jié)合良好的復(fù)合涂層。以cBN-NiCrAl復(fù)合粉末和微米級cBN的混合粉末沉積涂層時，一定數(shù)量的微米級

6、cBN可沉積到了涂層中，使復(fù)合涂層中的cBN含量可以進(jìn)一步增加到60vol.%。在相同的氣體溫度下，隨著粒子速度的增加，復(fù)合粉末的沉積效率逐漸增加。由于沉積效率較低時未沉積粒子對涂層撞擊引發(fā)了更為顯著的加工硬化效應(yīng)，因此較低速度的粒子對應(yīng)涂層的硬度更高。
　　發(fā)現(xiàn)了機(jī)械合金化金屬陶瓷復(fù)合粉末冷噴涂沉積中不符合隨粒子硬度增加沉積效率降低的規(guī)律。研究結(jié)果表明，粒子顯微結(jié)構(gòu)對粒子的沉積行為具有顯著影響，硬度較高的納米晶粉末和納米結(jié)構(gòu)金屬

7、陶瓷復(fù)合粉末中的大量晶界和 cBN/NiCrAl異質(zhì)界面對高速撞擊產(chǎn)生的彈性波的散射作用導(dǎo)致粒子撞擊的彈性能顯著降低，因此出現(xiàn)了粉末沉積效率隨粉末硬度上升而增大的現(xiàn)象。
　　研究確認(rèn)了納米結(jié)構(gòu) cBN-NiCrAl復(fù)合粉末在冷噴涂沉積過程中其相結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著變化、NiCrAl合金基體的納米晶粒未發(fā)生長大，而 cBN/NiCrAl界面處合金基體相發(fā)生非晶化與晶粒有序化取向的現(xiàn)象。cBN含量為20vol.%、40vol.%、60vol

8、.%的復(fù)合涂層的硬度分別達(dá)到1055 HV、1172 HV及1270 HV。壓痕斷裂韌性測試結(jié)果表明，20 kg載荷未能在20vol.%、40vol.% cBN-NiCrAl涂層斷面內(nèi)誘發(fā)裂紋，60vol.%cBN-NiCrAl復(fù)合涂層的斷裂韌性約為20.4 MPa·m0.5，顯著高于與其硬度相當(dāng)?shù)某羲倩鹧鎳娡縒C-17Co涂層。
　　研究發(fā)現(xiàn)cBN/NiCrAl界面非穩(wěn)態(tài)組織極大的促進(jìn)了cBN/NiCrAl界面反應(yīng)，為制備納米

9、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)界面結(jié)合的復(fù)合涂層提供了依據(jù)。亞微米、納米 cBN與 NiCrAl基體在熱處理溫度達(dá)到825℃時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，微米尺度cBN與NiCrAl基體在熱處理溫度達(dá)到1000℃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報道的1300-1400℃。825℃/5 h熱處理后，粒子間未結(jié)合界面部分愈合，亞微米、納米尺度 cBN與 NiCrAl在界面處形成厚度約為5-25 nm的鋸齒狀Cr2N、Ni3B反應(yīng)層，NiCrAl合金基體的納米晶粒也可以保留下來。涂層的

10、硬度有所下降，涂層的斷裂韌性大幅度增加。
　　研究闡明了涂層組成及結(jié)構(gòu)與熱處理條件對 cBN-NiCrAl復(fù)合涂層磨粒磨損性能的影響規(guī)律。隨著涂層中陶瓷相含量的增加，涂層的耐磨性不斷提高。750℃/5 h熱處理后的20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl復(fù)合涂層的耐磨性最高，其次為噴涂態(tài)和825℃/5 h熱處理后的涂層。60vol.% cBN-NiCrAl復(fù)合涂層的耐磨性隨熱處理溫度的升高而提高，825℃/5 h熱處理后

11、的涂層的耐磨性最高。20vol.%，40vol.% cBN-NiCrAl復(fù)合涂層的主要磨損機(jī)理為 SiC磨料造成的塑性犁削，噴涂態(tài)涂層中還存在結(jié)合較弱粒子的剝落。60vol.%cBN-NiCrAl復(fù)合涂層的磨損機(jī)理主要是SiC磨料對40vol.%cBN-NiCrAl粒子的優(yōu)先去除和微米尺度cBN的剝落。由于60vol.%復(fù)合涂層中突出的微米尺度cBN顆粒使磨粒無法連續(xù)壓入粘結(jié)相，因此耐磨性能大幅度提高，磨損率約為超音速火焰噴涂制備的WC