摘 要:通过机械合金化法制备了金刚石/NiCrAl复合粉末,探讨了金刚石含量对粉末的组织结构、粒度分布的影响.采用冷喷涂沉积法制备金刚石增强金属陶瓷涂层,探讨了粉末结构、金刚石含量对涂层的成分及组织结构的影响.实验结果表明,在机械合金化过程中,金刚石和NiCrAl并没有发生反应生成新相,硬质相较均匀地分布在复合粉末中.分析冷喷涂制备的复合涂层的组织结构发现,喷涂过程中粉末的成分及组织结构完全保留到了涂层中.
关键词:冷喷涂;金刚石/NiCrAl合金;机械合金化
制备金属陶瓷涂层常用的方法有热喷涂法、复合镀法、激光原位合成法、自蔓延燃烧合成法、喷焊法及等离子堆焊法等[1].在热喷涂方法中,超音速火焰喷涂已成为制备高性能金属陶瓷涂层的常用方法[2],该法所制备的WC系及Cr3C2系金属陶瓷涂层中的硬质陶瓷相的体积含量高达70%~80%,已经在诸多工业领域中得到成功地应用.为了进一步提高复合材料的硬度及耐磨性,需用硬度更高的硬质相来制备复合材料的涂层.用自然界中硬度最高的金刚石作为强化相,采用喷焊法、等离子堆焊法、激光合金化法[3-4]及自蔓延燃烧原位合成等方法制备金刚石复合涂层,但由于固相金刚石颗粒与高温熔融液态金属粘结相作用,产生热分解与溶解,使粉末中的金刚石难以保留到涂层中.所以,无法有效地制备金刚石复合涂层.
目前,制备金刚石复合涂层主要采用复合电镀法和化学镀法.虽然这两种方法避免了高温化学反应,能够将硬度高的金刚石相保留到涂层中,且涂层中金刚石的体积含量可达45%,但是当涂层中金刚石体积含量超过25%时,金刚石与粘结相的界面结合显著恶化,涂层的耐磨性难以提高[5].
近年发展起来的冷喷涂法,基于低温固态粒子高速碰撞基体后而沉积,避免了高温沉积过程中可能发生的成分、组织结构等变化[6-9].目前,冷喷涂法不仅能成功地制备纯金属及合金涂层,而且还能制备金属陶瓷涂层.H.J.Kim等人[10]采用冷喷涂法,以金属及大颗粒金刚石的混合粉末为喷涂材料,制备了金刚石/金属复合涂层,并对制备工艺的特性进行了探讨.由于金刚石粉末与金属粉末的沉积特性差异较大,涂层中金刚石的体积含量仅约12%,即使通过调控混合粉末中金刚石粉末的含量,也难有效地提高涂层中金刚石的含量.
为了有效调控复合涂层中金刚石的含量,本文采用机械合金化法制备含有金刚石的镍基合金复合粉末,通过冷喷涂法制备复合涂层,并对涂层的组织结构特征进行了研究,为制备金刚石含量高的复合涂层提供了依据.
1 试验部分
1.1 金刚石/NiCrAl复合粉末的制备
人造金刚石粉末为陶瓷硬质相,其粒度为0.5~1.5Lm,由煤炭科学院总院西安分院生产,其初始形貌见图1(a);NiCrAl粉末为粘结相,其粒度为45 ~109Lm,由北京颐鑫安公司生产,其初始形貌见图1(b).将上述两种粉末按一定体积分数混合后在氩气气氛中球磨,以制备金属陶瓷复合粉末,球磨的工艺参数列于表1.球磨后的粉末经分筛,获得适合冷喷涂的复合粉末,其颗粒小于50Lm,喷涂中的基体材料为奥氏体不锈钢,复合粉末的粒度分布见图2.
1.2 金刚石/NiCrAl复合涂层的制备
制备镍基金刚石复合涂层使用的冷喷涂设备为组织结构.由图5可见,经过反复的冷焊破碎,部分金刚石颗粒经过反复碰撞发生了破碎现象,形成了一部分尺度为纳米-亚微米的较小颗粒,大部分金刚石颗粒均匀分布在复合粉末颗粒中.由图5(a)可见,由于复合粉末中硬质相含量较少,在一定时间内NiCrAl粘结相的破碎作用不明显.因此,所得的复合粉末形貌与原始NiCrAl粉末形貌相似.此外,复合粉末中存在金刚石分布不均匀的区域.由图5(b)可见,由于复合粉末中硬质相含量增加,在一定时间内NiCrAl粘结相的破碎作用增强,经过磨球与粉末、粉末与粉末之间的高能撞击,反复的破碎与冷焊,使硬质相较均匀地分布在复合粉末中.
2.2 复合涂层的相结构及组织结构
图6所示为不同金刚石含量的复合涂层的X射线衍射图谱.由图6可见,涂层中仅存在镍基合金相和金刚石相.这是由于冷喷涂法制备涂层时气体温度为620e,粉末温度低于该值,在较短的喷涂时间内镍基合金与金刚石不发生反应.因此,粉末的相结构完全地保留到了涂层中.
图7所示为不同金刚石含量的复合涂层的断面组织.由图7可见,涂层主要由呈白亮色的层片状及相对较多的呈深色的组织构成.在较高倍数扫描电镜下观察及能谱分析发现,其中白亮色的层片状组织为不含有金刚石硬质颗粒的NiCrAl合金,而灰色组织为金刚石硬质颗粒均匀分布在NiCrAl合金中形成的金属陶瓷复合结构组织.由图7还可见,在金刚石含量为40%的复合涂层中,不含金刚石的NiCrAl层状合金含量明显低于金刚石含量为20%的涂层,这一结果与粉末中NiCrAl合金相的分布相一致.该结果进一步表明,在冷喷涂过程中可以将粉末的成分与结构完全保留到涂层中.因此,可以通过设计粉末的成分与结构来控制涂层的成分与结构.
3 结 论
(1)通过机械合金化法可制备粒度适合于冷喷涂使用的复合结构金刚石/镍基合金粉末,金刚石颗粒均匀分布在合金相基体中,金刚石含量可达40%.
(2)采用冷喷涂法可制备金刚石/镍基合金复合结构涂层,由于喷涂方法的低温特征,粉末的相结构和组织结构均较好地保留到涂层中.
参考文献略
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