镍包覆型复合粉末的制备及其在热喷涂领域的应用
尹春雷，于月光，任先京，曾克里，谢建刚，王凤娥
中国粉体技术
摘 要：热喷涂是一种重要的表面工程技术，粉末是热喷涂材料中的重要组成部分，镍包覆型复合粉末在热喷涂领域应用十分广泛。本文综述了镍包覆型复合粉末的制备方法，主要有水热氢还原法、化学镀法、羰基镍分解法和电镀法；介绍了国内外常见镍包覆型复合粉末在热喷涂领域中的应用情况，包括作为底层、封严涂层、耐磨涂层和自润滑涂层材料。
关键词：镍；包覆；复合粉末；热喷涂；热喷涂粉末
热喷涂作为一种重要的表面工程技术，正得到越来越广泛的应用。热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种粉状、线状或棒状材料加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，喷向基体在其上形成涂层，可以对工件表面性能(如耐磨损性、耐腐蚀陛、耐高温隔热I生等)进行强化或再生，起到保护作用，并能对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行恢复，从而节约资源；同时还可以赋予工件表面以特殊性能，从而提升工件性能。热喷涂技术已具有90多年的历史，目前已广泛应用于航天、航空、冶金、机械、造纸、桥梁、石油化工等领域。
粉末是热喷涂材料中的重要组成部分，在热喷涂粉末中单一组分的材料往往难以满足某些特殊要求，复合粉末的研究曰益受到重视并迅速发展。包覆型复合粉末兼有包覆层金属和用作芯核的被包覆粉末的优良性能，同时可以克服机械混合型复合粉末易成分偏析和混合不均匀的弊端。由于金属镍包覆层具有良好的抗腐蚀性、耐磨性、韧性好、低应力、与多数粉末润湿性好、与基材金属结合强度高等优点，镍包覆型复合粉末在热喷涂领域应用十分广泛。本文中对镍包覆型复合粉末的制备方法和在热喷涂领域的应用加以介绍。
1 制备方法
1．1水热氢还原法
水热氢还原是湿法冶金的一种常用方法，广泛应用于制备金属热喷涂粉末、金属复合热喷涂粉末等领域，经过几十年的发展已经成为一种十分成熟可靠的工艺过程，具有工艺成熟、经济陛好、包覆量准确可控以及生产规模灵活等优点。
水热氢还原制取复合热喷涂粉末是利用氢气在一定温度和压力下可以将某些金属从其盐溶液中还原出来的基本原理，将核心粉末、催化剂加入到镍盐溶液中，在高压釜内用氢气在一定温度压力下将镍还原沉积在核心粉末表面形成复合粉末。水热氢还原制备镍包覆型复合粉末的过程实质上可以分为两个过程：一是溶液中的镍离子被氢气还原出来；二是还原出来的镍不断在核心粉末表面沉积长大。还原反应如下式所示：
[Ni(NH3)n] 2+ +H2--Ni+2NH4 2+ +(n-2)NH3
该反应体系是一个气、液、固3相体系，由化学反应过程和气液固传质过程共同控制，因此影响反应的因素主要有：各物料的加入、反应温度、反应压力、核心粉末表面状况、搅拌状况。另外高压釜升温速率和冷却速率对生产效率有重要影响。对核心粉末有以下要求：与溶液体系不发生化学反应，与溶液有良好的浸润性，借助搅拌能均匀分散在液相中，具有适宜的粒度。只要核心粉末满足以上要求均可以采用水热氢还原法制备镍包覆型复合粉末。
该方法还适用于制备钴包覆型复合粉末。
1．2化学镀法
化学镀镍是利用适宜的还原剂使镍离子有选择地在经催化的表面上镀镍层的一种化学处理方法。化学镀镍液由镍盐、络合剂、稳定剂和还原剂等组分构成，再配以适当的温度、pH值、搅拌等工艺条件，使粉体在镀液中被包覆一层金属镍。以联氨为还原剂的化学镀镍过程的氧化还原反应如下:
2Ni 2+ +4e一2Ni
N2H4+40H-4e—N2+4H20
化学镀法制备镍包覆型复合粉末具有操作容易、设备简单、生产规模灵活、成本较低等优点，但存在过程较慢、镀液易分解、易产生游离镍等缺点。
1．4电镀法
电镀法制备镍包覆型复合粉末不同于一般的电镀，它的电极是由颗粒组成的，所以该方法只适用于金属热喷涂粉末，对非金属热喷涂粉末需要在其表面先用其他方法涂覆一层镍膜方可采用。电镀法根据设备不同主要有两种方法：一种是滚镀法，镀槽用有机玻璃做成多角形，槽底有一固定的金属板作阴极，使镀槽与垂直方向成一定的倾角旋转，利用镀槽的旋转使颗粒在槽内翻滚，颗粒作为阴极在其表面包覆镍层；另一种是流化床法，流化床电极是一种三维电极体系，当电解质溶液流过导电颗粒组成的床层时，使颗粒呈流化状态，构成导电颗粒流化床，插入馈电极和对电极，通电后由全部导电颗粒连同馈电极构成流化床电极，电化学反应便在导电颗粒上进行。电镀法具有包覆量可控、镀层化学稳定性好等特点。
2 在热喷涂领域中的应用
2．1底层
热喷涂过程中时常出现工作涂层与基体结合强度不够的情况，因而影响工作涂层的寿命和性能发挥，这时底层就显得非常重要，它作为工作涂层与基体的过渡层，可以显著提高涂层结合强度，从而提升整体涂层性能。镍包铝是一种重要的底层材料，由于镍铝在660℃左右能够迅速完全地发生反应生成金属问化合物Ni，舢和Ni舢，并放出大量热，利用镍铝之间的反应热，镍铝合金与某些金属基体之间互相熔合的性能和镍铝间化合物本身的物化特征，可以使喷涂镍包铝所得的涂层与基体产生强的结合力。上世纪60年代镍包铝复合粉末的出现对整个热喷涂工业发展都曾经起到重要作用，直到今天镍包铝仍然是一种重要的底层材料。
2．2封严涂层
大推力、高效率、低油耗是航空发动机设计和制造的总体目标，为此应尽量提高涡轮机进口气体温度，减小转子与静子部件之间的间隙。当结构与材料一定时，提高涡轮机进口气体温度是有限的，因而减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之间间隙的气路封严技术就成为提高发动机性能的重要手段。在发动机的制造和运行过程中，由于：(1)发动机组件的热膨胀及轴的热变形；(2)转子高速旋转，离心力引起的叶片伸长；(3)零件加工的公差及发动机装配的偏差；(4)发动机加速、减速和飞机着陆等引起的振动及零部件因振动引起的位移等原因，实际上无法使间隙控制为零。
因此，航空发动机设计和制造时在叶尖与机匣之间要预留一定的间隙，封严材料有助于将间隙减小到最低限度。热喷涂封严涂层由于具有以下优点，已得到越来越广泛的应用：
(1)容易按照所要求的厚度直接喷涂在发动机零件上而不需要钎焊；
(2)容易返修，旧涂层可去除，新涂层可直接重新喷涂在同一位置；
(3)根据发动机不同部位、不同使用温度的要求，可供选择的材料较多；
(4)容易调整性能，以获得可磨耗性和抗冲蚀性的最佳配合；
(5)涂层可为机匣提供热障和减少其受高温燃气的影响。
封严材料位于发动机的压气机和涡轮机的机匣上，所处的位置和功能决定了要在较高温度和高速气流冲刷的条件下工作。理想的封严涂层应既有足够的强度抵抗外部颗粒及气流的冲蚀，又可被刮削，在叶片与涂层发生摩擦接触时，涂层被刮削而叶片尖端不磨损，涂层不脱落，同时缩小气路间隙，减少气体泄漏，以提高发动机的工作效率。因此，要求可磨耗封严材料必须具备下列性能：可磨耗性、抗冲蚀陛、结合强度和抗热震性，其他性能如低的摩擦系数、抗粘着性、高的化学稳定性、高的整体强度等。
常见的封严涂层材料有镍包石墨、镍包硅藻土、镍包膨润土等，镍包石墨涂层工作温度在480℃以下，镍包膨润土涂层工作温度在815℃以下，镍包硅藻土涂层工作温度介于二者之间。为了获得最佳的多孔性涂层，封严材料宜采用火焰喷涂。
2．3耐磨涂层
磨损所造成的经济损失是很严重的，不同的磨损条件，其磨损机理不尽相同。对整体材料来说，硬度是影晌其耐磨性的最主要指标。为此，开发了像硬质合金、高铬铸铁等许多耐磨材料。不过这些材料脆性都很大，不能用于对韧塑性有一定要求的结构件。而工程上最好的办法是在强韧材料的基体上覆一层硬质的耐磨层，热喷涂工艺可以把多种材料覆于金属基体上，正好可以实现这一目的。常见的耐磨涂层材料有钴包碳化钨、镍包碳化钨等。
2．4自润滑涂层
航空、航天、核能等高新技术的发展，对润滑材料的要求已超越了润滑油或脂的使用极限，传统的软金属和其它固体润滑微粉作为减磨覆盖层，强度低、耐磨性差，已不能满足性能的综合要求。在这种隋况下，固体自润滑复合材料应运而生。固体润滑的方式大致可分为3类：固体粉末、固体润滑涂层和整体润滑材料。许多情况下固体粉末和整体材料已很难满足要求，而具有自润滑性能的涂层显示出其优越性。白润滑涂层可以在保证基体材料本身具有优异机械眭能的基础上具有自润滑、耐磨损等特殊性能，而且利用涂层润滑大大节约了原材料和生产时间。
热喷涂技术是制备自润滑涂层的有效途径之一，可以采用的喷涂方式有等离子喷涂、爆炸喷涂、火焰喷涂等。利用热喷涂技术制备自润滑涂层具有工艺简单、成本低廉等优点，且在不影响工件力学性能的前提下，保证部件在高温条件下长期可靠地运转，同时还能防止工件氧化和腐蚀。常用的自润滑涂层材料有镍包石墨、镍包二硫化钼、镍包聚四氟乙烯、镍包氮化硼、镍包氟化钙等。
参考文献 略
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