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热喷涂金属基防滑耐磨涂层的研究进展

时间:2020-02-21 15:10:05  来源:  作者:

 采用热喷涂技术制备的金属基防滑涂层能有效增强材料表面间的摩擦阻力,同时在耐磨及防腐等方面表现出良好的性能,在工业生产、海洋平台及船舶甲板等领域有广泛应用。相对于高分子防滑涂层,金属基涂层具有使用寿命长、摩擦系数稳定、不使用有毒溶剂等优点。首先介绍了金属基防滑涂层的防滑原理、制备工艺及特点,分别阐述了四类金属基(Al 基、Fe 基、NiCr 基和Co 基)防滑涂层的研究现状及其应用背景,分析喷涂工艺参数、粉末参数、服役环境等因素对涂层摩擦学行为的影响规律。作为防滑涂层,Al 基涂层具有良好的耐腐蚀性能且价格相对低廉;Fe 基、NiCr 基均表现出较好的抗高温磨损性能及耐蚀性能,但Fe 基非晶涂层成本偏高;Co 基涂层的低温耐磨性较优越。在实际应用中需要根据服役条件选择防滑材料,再根据材料本身特性选取相应的喷涂工艺。铝基防滑涂层因其较好的耐腐蚀性能,多用于桥梁、船舶、海洋平台等一些腐蚀性较强的环境中。对于高强度桥梁栓接面,电弧喷涂铝丝材可有效增强接触面的抗滑移系数,具有良好的抗老化性能,即使是进行油漆封闭后的涂层,也能满足连接面的抗滑移系数要求。但纯铝丝材的耐磨性相对较差,导致使用寿命受到限制。粉芯丝材的出现有效增强了铝基涂层的性能,同时解决了复合丝材冶炼和拉丝的难题,与纯铝丝材相比,粉芯丝材可添加陶瓷颗粒、碳化物等增强相,丝材外皮经轧制、拉拔后,表面光滑、刚度好,具有良好的工艺稳定性,涂层防滑综合性能得到提高。Fe基合金粉末以FeCrBSiCMo 等元素为主,喷涂态涂层为典型的层状结构,主要存在硬质相((Fe, Cr)Fe2BFe3BCr2B 等)、氧化物以及非晶相。非晶相的形成需要具有较大的过冷液相区、较低的玻璃化转变温度,因此相对于其他金属基材料,Fe的非晶形成能力较高,在热喷涂快速冷却过程中更易形成非晶相。非晶涂层是Fe基防滑涂层重要的组成部分和重点研究方向。目前,非晶合金涂层作为新一代高性能防滑涂层,因其高强度、高耐磨耐蚀等物理化学性能,越来越受到国内外研究人员的青睐。因此,采用先进的热喷涂技术制备非晶防滑涂层是金属基防滑涂层发展的重要方向之一。非晶合金没有位错和晶面,若使材料产生变形或断裂,须施加更大的外力,有着不同于常规合金的特殊性能,因此非晶相的形成对于提高涂层耐磨耐蚀性能有着积极的作用。热喷涂技术由于其快速冷却的特点,被广泛运用于制备非晶涂层。控制各元素的添加量以控制涂层非晶相的形成,如SAM系列非晶合金添加少量Cr元素(4at%)能够有效提高合金的耐腐蚀性能,但过量添加反而会引起晶化。超音速火焰喷涂过程中,燃油与氧气的比例会影响涂层的结晶程度,当燃油与氧气的比例较大时(火焰温度较高),粒子完全熔融并快速冷却沉积到基体上形成非晶相;当燃油与氧气比例较小时(火焰温度较低),涂层中会出现结晶相。热处理能够使涂层中的非晶相再结晶形成硬质相,获得更加致密的涂层组织。研究发现,涂层在600℃左右经过热处理后会获得最优的性能,此时的涂层硬度可达到1275HV0.3NiCr合金具有良好的耐热耐蚀性,常与一些硬质相(如TiB2WCAl2O3 等)形成复合涂层,在防滑涂层的应用中,NiCr-Cr3C2涂层的应用最广泛。Cr3C2在金属碳化物中的抗氧化能力最强,涂层在保持高摩擦系数的同时,在高温条件下依然能够保持相当高的硬度和耐蚀耐磨性能。NiCr-Cr3C2金属陶瓷涂层具有硬度高、孔隙率低、断裂韧性高、抗高温氧化及循环氧化性好等优点,在低温和高温条件下均保持高摩擦系数,表现出良好的摩擦学性能,被广泛用作海洋环境防滑耐磨防腐涂层。Co本身硬度较低,是最理想的粘结剂,作为防滑涂层需要加入WCrC、氮化物、碳化物等物质,以增强涂层的耐磨性能,适当地加入Cr 能减轻喷涂粉末在喷涂熔化过程中的氧化程度,氮化物及碳化物添加可增强涂层硬度。Co 基涂层作为防滑涂层,应用最广泛的是WC-Co 防滑涂层。

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