反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的反应机理

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.03.010 第22卷第3期 北京科技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的反应机理 刘长松 黄继华 殷声 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用差热分析(DTA)、X-射线分析(XRD)等测试手段，研究了反应火焰喷涂过程中喷 涂粉末(Fc-TiC体系)的反应机理.研究结果表明，在反应火焰喷涂合成TiC-「涂层中，喷涂粉 末在飞行过程中的反应是逐步进行的.喷涂距离为125-170mm是发生反应的主要区域.在到 达工件表面时，反应已基本结束.因此，与传统热喷涂相比，反应火焰喷涂的优势在于，利用廉 价原料一步合成、沉积比较昂责的涂层材料. 关键词反应火焰喷涂合成：反应机理：Fe-Ti-C体系 分类号TG174;TF12 反应热喷涂是自蔓延高温合成(SHS)与氧料，钛铁粉和铁粉分别球磨使其细化，然后三者 乙炔火焰喷涂技术相结合而发展起来的、可用 按60：12：28（质量比）的比例混合，经团聚、筛分 于制备金属陶瓷涂层的新技术，它的最大特点 制得74~104m喷涂粉末. 是，涂层材料不同于原料，而是喷涂粉末在飞行 采用CP-D3型火焰喷枪，工件材料为45钢， 过程中经历一系列放热反应而得，因此工序简 喷涂距离分别为70,125,170和250mm,其他工 单、经济，且从原理上讲涂层性能可以更加优 艺参数为：氧气压力0.8MPa,乙炔压力0.09MPa, 越.根据使用的热源不同，反应热喷涂可分为 保护气体压力0.5MPa.将不同喷涂距离上得到 反应火焰喷涂、反应等离子喷涂和反应电弧喷 的涂层进行XRD分析.为了研究体系的放热过 涂.同后两者相比，反应火焰喷涂的设备更加 程，取相同成分配比的粉末作DTA分析. 简单，且施工更加方便，因此更加经济 2结果和讨论 从理论和实践都已经证明，利用反应火焰 喷涂技术能够制备TiC-Fe涂层).喷涂粉末经 当含有钛铁、石墨和铁粉的喷涂粉末在飞 氧乙炔火焰点燃，应发生燃烧波向中心蔓延 行过程中，在氧已炔火焰的作用下，将发生如下 的SHS反应.在动力学方面，反应火焰喷涂应具 反应： 有与反应等离子喷涂相似的特征，即体系的反 FeTi+Ti+2C+Fe-+2TiC+2Fe. 应程度取决于喷涂粉末在飞行过程中的受热速 该反应的本质是T与C之间的放热反应， 度.但是，由于二者使用的热源理论温度和流 析出184.5 kJ/mol的热量，生成产物TiC+Fe沉积 速差别很大，这就造成dTdr也有较大差异.因 到工件表面形成涂层.图1是不同喷涂距离得 此反应火焰喷涂将具有自己的特点，这些特点 到的涂层试样的XRD结果.可见，即使当喷涂 可能会对涂层的合成过程造成较大影响，本文 距离为70mm时，涂层中己合成出了TiC,但存 利用差热分析(DTA)、X-射线分析(XRD)等测 在较多石墨和FeTi相.随喷涂距离增加，石墨 试手段，研究反应火焰喷涂过程，探讨在喷涂过 峰明显减弱，Fe-Ti相也减少. 程中粉末能否在很短时间内发生反应、反应程 事实上，钛的碳化物很难达到化学计量比， 度及其反应历程. 因此图1中的TiC应写为TiC.TiC,是均匀性很 1实验方法 宽的间隙相，y值的大小可反映碳化钛中复合碳 的比例，y值越大，说明与T发生反应的碳越多， 选用钛铁粉、胶体石墨粉和还原铁粉为原 残留的碳越少，即反应程度越高.由于y值的 1999-12-24收稿刘长松男，26岁，博士 大小与其晶格常数a相对应，因此，通过计算 *国家863计划资助项目CNo.715-009-0130) 晶格常数，即可得到y值

第 卷 第 期 州洲】 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 一 反应火焰喷涂合成 一 涂层 的反应机理 刘长松 黄继 华 殷 声 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 利用 差 热分析 、 一 射线 分析 等测试手段 ， 研 究了反应火焰喷涂过程 中喷 涂粉末 一 体 系 的反应 机理 研 究结果表 明 ， 在反应 火焰喷涂合 成 一 涂 层 中 ， 喷涂粉 末 在 飞 行 过 程 中的 反 应 是逐步进 行 的 喷涂距 离为 一 。 是发生 反应 的主 要 区域 在到 达工 件表面 时 ， 反 应 己 基本 结束 因此 ， 与传统热喷涂相 比 ， 反应 火焰 喷涂 的优势在于 ， 利用廉 价原料 一 步合成 、 沉积 比 较 昂贵 的涂层 材料 关键词 反应 火焰 喷涂合 成 反应 机理 一 体系 分 类号 作 反应 热 喷涂 是 自蔓 延 高温 合成 与氧 乙 炔 火焰 喷涂技术相 结合 而 发展 起 来 的 、 可 用 于 制 备 金 属 陶 瓷 涂层 的 新 技 术 它 的最 大特 点 是 ， 涂层材料不 同于 原料 ， 而 是 喷涂粉末在飞行 过程 中经 历 一 系列 放热 反 应 而 得 ， 因 此 工 序 简 单 、 经 济 ， 且 从原理上讲涂层性 能可 以更加优 越 根据 使用 的热源 不 同 ， 反 应热 喷涂可 分为 反应 火 焰 喷涂 、 反应 等离子 喷涂和 反 应 电弧 喷 涂 『冈 同后 两者相 比 ， 反应火焰喷涂的设备更加 简单 ， 且 施 工 更 加 方 便 ， 因此 更 加经 济 从理 论 和 实践都 已 经 证 明 ， 利用 反应 火焰 喷涂技术 能够制 备 一 涂 层 ‘ 〕 喷涂粉 末经 氧 乙 炔 火焰 点燃 ， 应 发 生 燃烧 波 向中心 蔓延 的 反应 在动 力 学方 面 ， 反 应 火焰 喷涂应 具 有与 反应 等离子 喷涂相 似 的特 征 ， 即体系的反 应程度取 决于 喷涂粉末 在 飞 行 过程 中的受热速 度‘ 但 是 ， 由于 二 者使用 的热源 理 论温 度和流 速 差 别 很 大 ， 这 就 造 成 也 有 较 大 差 异‘ 因 此反 应 火 焰 喷涂将具 有 自己 的特 点 ， 这些特 点 可 能会 对 涂层 的合 成 过 程造 成 较大影 响 本文 利 用 差 热 分 析 ’ 、 一 射 线 分 析 等 测 试手段 ， 研 究反应 火焰 喷涂过程 ， 探 讨 在喷涂过 程 中粉末 能 否 在 很 短 时 间 内发 生 反 应 、 反 应 程 度及 其 反应 历 程 料 ， 钦铁粉 和 铁粉分别 球磨使其细 化 ， 然后 三 者 按 质量 比 的 比例 混 合 ， 经 团聚 、 筛分 制 得 小 林 喷 涂粉 末 采用 型火焰喷枪 ， 工件材料为 钢 ， 喷涂距 离分 别 为 ， ， 和 ， 其 他工 艺参数为 氧气压力 ， 乙炔压 力 ， 保护气体压 力 将不 同喷涂距 离上 得到 的涂层 进行 分析 为 了研 究体 系 的放 热 过 程 ， 取相 同成分配 比 的粉末作 分析 结果和讨论 实验方法 选用 钦铁 粉 、 胶体 石 墨 粉和 还 原铁粉为原 一 一 收稿 刘长 松 男 ， 岁 ， 博士 国家 计划 资助项 目困 一 一 当含有钦铁 、 石 墨 和 铁粉 的喷涂粉末 在 飞 行过程 中 ， 在氧 己炔火焰 的作用 下 ， 将发生如 下 反应 该 反应 的本质是 与 之 间 的放 热 反 应 ， 析 出 的热量 ， 生成产物 沉积 到 工 件表 面 形 成 涂层 图 是 不 同喷 涂距 离得 到 的涂层试样 的 结果 可 见 ， 即使当喷涂 距 离为 时 ， 涂层 中己合成 出 了 ， 但 存 在 较 多石 墨 和 相 随喷涂距 离 增加 ， 石 墨 峰 明显 减弱 ， 一 相 也 减少 事 实上 ， 钦 的碳化物很难达到化学 计量 比 ， 因此 图 中的 应写 为 是 均匀性很 宽的间 隙相 沙 值 的大 小可 反 映碳化钦 中复合碳 的 比例 ， 值越大 ， 说明与 发生 反应 的碳越 多 ， 残 留的碳越少 ， 即 反应 程度越 高 口 由于 值 的 大 小与其 晶格 常数 相对 应 ， 因此 ， 通 过计 算 晶格常 数 ， 即可 得 到 夕 值 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．010

·228· 北京科 技大学学报 2000年第3期 i● 0.62 e 1=250mm 0.60 180mm 0.58 u人 125mm 0.56 uW人人wk人U光 1 0.54 FeTi 70mm C 2R3久 50 100 150 200 250 20 40 60 80 100 I/mm 28() 图3不同距离(O合成TiC,的复合CTi原子比 图1在不同喷距处涂层的XRD谱 Fig.3 Lattice parameter of TiC,varies with spray distance Fig.1 XRD pattern of coatings with different 合成的TiC,有失碳现象. spray distance 图4是喷涂粉末的差热分析(DTA)曲线，可 为精确测定晶格常数，可用X-射线衍射仪 以看到体系存在2个放热峰：第一个发生的温 测量试样的晶面间距及其晶面指数(h,k,),然 度约316℃，是慢放热峰，因而呈“馒头形”：第 后用外推函数消除系统误差，实际应用的外推 二个是典型的SHS反应放热峰，发生的温度约 函数较多，但对于TiC,由于>60°的衍射线较 652℃.一般地说，Fe-Ti-C三元系的点火温度约 少，因此往往用J.B.Nelson提出的外推函数 为1100℃，，DTA结果与之不符的原因在于， [,阁}，图2是利用该外推函数得 DTA试样粒度均达到微米级.粒度越细，试样的 到的喷距为170mm时涂层中TiC,的晶格常数 比表面积越大，反应就进行得越快，于是DTA (其截距即为a值)，其中o,为标准误差.作出不 曲线就表现出相应特征点的温度有所降低. 10 同喷涂距离时涂层中合成TiC,的复合CTi原子 652.51 比与喷涂距离的关系曲线（见图3），即可知道 5 喷涂粉末在不同喷涂距离时的反应程度 316.51 a=0.43132nm 4.31 G,=0.00010nm -5 -10L 4.30 0200400600 80010001200 t/℃ 4.29 图450Fc-38Ti-12C(质量分数)体系喷涂粉末的差 0.00.51.01.52.02.53.0 热分析(DTA)曲线 (cos'0/0+cos'0/sinB)/2 Fig.4 DTA curve of spray powder with 50 Fe-38Ti-12C 图2用外推函数计算涂层（喷涂距离为170mm)中TC,的 在点燃SHS反应体系时，温度分布是不均 晶格常数 匀的，是一个温度场.按照热平板点火理论，点 Fig.2 Determination of lattice parameter of TiC,withing 火过程可分为2个阶段.在第一阶段，化学反应 cnatings (spray distance is 170 mm)by extrapolate func- 不剧烈，体系主要被从环境经表面传递的热量 tion 加热，在此阶段形成一个预热带，储备能量：在 从图3可以看出，尽管在70mm处，涂层中 第二阶段，化学反应放热起重要作用，预热带自 已合成出了TC,但是y值偏小.当喷涂距离为 放热，此时表面热流改变方向，即外面热平板由 170mm时，y值急剧提高.当喷距为250mm时， 热源变为吸热，最高温区离表面有一定距离，体 y值有所降低.这表明，喷涂距离为125~170mm 系在离表面一定距离的地方被点燃.因此，对于 是发生反应的主要区域.如果喷距继续增加，则 一个SHS反应体系，与其说是当温度达到某一 由于氧乙炔火焰的火舌较长，且氧含量也增大， 点时被点燃，不如说当能量储备到一定值时被

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 芯汰劝站兹逻二从 缸 一 上少 砌凡偏 ‘ “节愕 … … ‘ 卜 一 几 ‘ 泳 “ 鑫矍 一 、 仁力 乡 目 图 在不 同喷距处涂层的 谱 论 · 月阳 为精确测 定 晶格常数 ， 可 用 一 射线衍射仪 测 量试 样 的晶面 间距 及 其 晶 面 指 数 ， ， ， 然 后 用 外推 函 数 消除系统 误 差 实际应用 的外 推 函数 较多 ， 但对 于 ， 由于 “ 的衍 射线 较 少 ， 因此往往 用 提 出 的外推 函 数 刀 〔合作琴黯 」 〔 · 图 ’ 是利用 该外 推 函数得 到 的喷距 为 时涂层 中 的 晶格 常数 试其截距 即 为 值 ， 其 中氏 为标准误 差 作 出不 同喷涂距 离 时涂层 中合 成 的复合 汀 原子 比与 喷涂距 离 的关系 曲线 见 图 ， 即可 知 道 喷涂 粉末 在 不 同喷涂距 离 时 的反应 程度 图 不同距离 合成 的复合 爪 原子 比 咭 邝 ， 。 袱 合成的 有失碳现象 图 是喷涂粉末 的差热分析 曲线 ， 可 以看到体系存 在 个放热 峰 第 一 个发 生 的温 度约 ℃ ， 是慢放热峰 ， 因而 呈 “ 馒 头形 ” 第 二 个是 典型 的 反 应 放 热 峰 ， 发 生 的温 度 约 ℃ 一般地 说 ， 一三 元系的点火温度约 为 ℃ 「 ， 结 果 与之 不 符 的 原 因 在 于 ， 试样粒度均达 到微米级 粒度越细 ， 试样 的 比表 面积 越 大 ， 反 应就 进 行 得 越快 ， 于 是 曲线就表现 出相应特 征 点 的温度 有所 降 低 ’ 〕 下 一 一一一一一不石丁一一下 舀 之 卜 一 一 一 叼 一 万于 ℃ 汽 弓︵义轰飞︶十 图 用外推函数计算涂层 喷涂距离为 中 的 晶格常数 论 川 心 血乎 从 图 可 以看 出 ， 尽 管 在 处 ， 涂 层 中 已合 成 出 了 ， 但 是 值偏小 当喷涂距 离为 时 ， 值 急剧 提高 当喷 距 为 时 ， 值有所 降低 这表 明 ， 喷涂距 离为 一 是发生 反应 的主 要 区域 如 果喷距继续增加 ， 则 由于氧 乙炔火焰 的火舌较长 ， 且氧含量也增大 ， 图 卜 质 分数 体系喷涂粉末的差 热分析〔 曲线 · ’ ， ， 在 点燃 反应 体系 时 ， 温度分 布是 不 均 匀 的 ， 是 一 个温度场 按 照 热平板 点火 理论 ， 点 火过 程可 分为 个阶段 在第一 阶段 ， 化学 反应 不 剧 烈 ， 体 系 主 要 被 从环 境经 表 面传 递 的热 量 加热 ， 在此 阶段形 成 一 个预 热带 ， 储备能量 在 第 二 阶段 ， 化 学反 应放热起重 要 作用 ， 预热 带 自 放热 ， 此 时表面热流 改变方 向 ， 即外面热平板 由 热源变为吸 热 ， 最 高温 区 离表面有一 定距 离 ， 体 系在离表面一 定距 离的地方被点燃 因此 ， 对 于 一 个 反应体系 ， 与其说是 当温度达 到某一 点 时被 点燃 ， 不 如 说 当 能量储备 到一 定 值 时被

Vol.22 No.3 刘长松等：反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的反应机理 ◆229◆ 点燃 的主相为Ni和Al,还有少量的NiAl,难检测到 对照图1，图3和图4，当喷距小于125mm 其他Ni-A1金属间化合物. 时，反应体系处于“孕育期”，可以说是反应的第 Ni AL 一阶段.在这一阶段，尽管粉末表面已达到其熔 点，但要引燃体系的SHS反应，尚需要储备能 量，即需从氧乙炔火焰中吸热：但由于组元非常 细，且混合充分，而且C向T扩散的激活能比 较小(~80kJ/mol),在一定热量作用下，发生固态 (a)Ni-AI自粘结粉末 b 熔化 (c) 扩散反应，因此也有TC合成（尽管此时合成的 粒子 涂层 CTi原子比较小)，对应DTA曲线的第一个放热 峰.当喷距为125~170mm之间，体系处于反应 期，这是点火过程的第二阶段，体系中储备的能 (B) 量满足了引燃体系SHS反应的条件，反应自身 (A)Fe-Ti-C 石爵 反应团聚粉末 TiC, (C) 放热及氧乙炔火焰的供热，使体系在此阶段迅 速完成反应，对应DTA曲线的第二个放热蜂. 图5自粘结粉末和反应火焰喷涂粉末的反应历程 当喷距大于170mm时，反应体系处于“稳定 自粘结包覆粉末：(a)喷涂前：(b)喷涂中被熔化：(c)在接触基 材及在基材上发生反应.反应火焰喷涂团聚粉末：(A)喷涂 期”，尽管反应尚不完全，但在实际条件下已基 前：B)喷涂中发生反应：(C)合成的材料沉积在基材上 本结束，合成的TiC,在氧乙炔火焰的作用下，有 Fig.5 Reaction mechnism of the self-bonding powder and 失碳现象，y值有些降低. the reactive flame spray powder 喷涂粉末喷出枪口后，先经历一个加速过 程，当达到一定速度之后，再渐渐减速.普通的 反应火焰喷涂TiC-Fe涂层则不同.由于组 成团聚粉末的组元粒度达微米级，且反应组元 铁基自熔合金粉粒速度最大值(，)在距枪口(，) 170mm处.由于本试验的喷涂粉末的平均密 的固态扩散激活能又比较低，体系的动力学条 件易满足，反应物易引燃，大部分反应发生在 度和铁基自熔合金相当，因此可以认为1约为 125-170mm之间的地段（见图5(B),另一方面， 170mm.这就是说，当熔融粉粒冲击到基材上 时，虽然取得了最大冲击力，但由于此时反应基 为使喷涂粉末达到最大的飞行速度，喷涂距离 为170mm是最佳值.这就是说，反应火焰喷涂 本结束，难以起到“自粘结粉末”的效果 粉末在到基材之前反应基本结束，即大部分反 自粘结粉末和反应火焰喷涂粉末的反应历 应发生在飞行过程中，与自粘结粉末相比，二者 程可以由图5示出. 的最大不同在于沉积阶段（见图5(c)和(C).作 对于自粘结粉末，如镍包铝复合粉末，其反 应机理为液态铝和固态镍之间的扩散反应.由 为自粘结粉末，其沉积过程包含有放热反应过 程：而反应火焰喷涂粉末，只是将在飞行过程中 于其复合粉末组元之一（如铝）的尺寸比较大 (约3060m),且二组元接触不良，而在喷涂过 合成的材料沉积到基材上，因此，不能起到自粘 程中在高温区滞留的时间又短，因此在飞行阶 结粉末的作用，难以提高涂层与基材之间的结 段，自粘结粉末主要是熔化（而不是反应，见图 合强度. 5b).这样，大部分反应只能发生在熔融铝和镍 由此看来，反应火焰喷涂与传统热喷涂相 比，其优势在于： 沉积之后或接触基材的瞬间（见图5(c).因 此，xNi+yAl→Ni,Al,的放热反应会使粉末在接触 ()利用廉价原料一步合成、沉积比较昂贵 基材的瞬间温度比较高(~900℃)，同时保持熔 的涂层材料：(2)能将微细(<1m)且呈球形的陶 融的时间又较长，这样就起到了自粘结的作用. 瓷组元引入到金属陶瓷涂层中：(3)作为涂层材 但是，N-A1之间的放热反应是受到铝扩散控制 料，金属对陶瓷的润湿性好 的，沉积到基材上后会快速凝固，形成的凝固层 3结论 会阻止铝进一步扩散，因此形成的镍铝金属间 化合物比较少.如80N/20A1复合粉末，涂层中 (I)在反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的过 程中，喷涂粉末在飞行过程中的反应是逐步进

丫 刘 长 松等 反应火焰喷涂合成 五 涂层 的反应机理 一 点燃 〕 对 照 图 ， 图 和 图 ， 当喷距 小于 时 ， 反应 体系处 于 “ 孕育 期 ” ， 可 以说是 反应 的第 一 阶段 在这 一 阶段 ， 尽 管粉 末表 面 已达 到其熔 点 ， 但 要 引燃体 系 的 反 应 ， 尚需要 储 备 能 量 ， 即需 从氧 乙炔火焰 中吸热 但 由于 组 元非常 细 ， 且 混 合充分 ， 而 且 向 扩散 的激活 能 比 较小卜 ， 在 一 定热量作用 下 ， 发 生 固态 扩散 反应 ， 因此也 有 合 成 尽 管此 时合 成 的 汀 原子 比较 小 ， 对应 人 曲线 的第 一 个 放热 峰 当喷距 为 一 之 间 ， 体系处 于 反应 期 ，这 是 点火过程 的第 二 阶 段 ， 体 系 中储 备 的能 量满足 了 引燃体系 反 应 的条件 ， 反应 自身 放热 及 氧 乙炔火焰 的供热 ， 使体 系在 此 阶段迅 速完成反应 ， 对应 曲线的第二 个放热峰 当 喷距 大 于 时 ， 反应 体系处 于 “ 稳 定 期 ” ， 尽 管反应 尚不完全 ， 但 在 实际 条件下 已基 本 结束 ， 合成 的 在氧 乙 炔火焰 的作用 下 ， 有 失碳 现象 ， 值 有些 降低 喷涂粉末 喷 出枪 口 后 ， 先 经 历 一 个加速过 程 ， 当达到 一 定速度之 后 ， 再渐 渐 减速 普通 的 铁基 自熔合 金粉粒速度最大值 刁在距 枪 口 幼 处 〔’ 由于 本试验 的喷涂粉 末 的平均 密 度和 铁基 自熔合金 相 当 ， 因此 可 以认 为 约为 这 就 是 说 ， 当熔 融粉粒冲击 到基材上 时 ， 虽 然取得 了最大冲击力 ， 但 由于此 时反应基 本 结束 ， 难 以起 到 “ 自粘 结粉 末 ” 的效 果 自粘结粉末和 反应火焰喷涂粉末 的反应历 程可 以 由 图 示 出 对 于 自粘结粉末 ， 如镍包铝 复合粉末 ， 其反 应 机理 为 液态铝 和 固态镍之 间 的扩 散反应 由 于 其 复合 粉 末 组 元 之 一 如 铝 的尺 寸 比较大 约 附 ， 且 二 组 元接触 不 良 ， 而 在喷涂过 程 中在 高温 区 滞 留 的 时 间又 短 ， 因此在 飞 行 阶 段 ， 自粘结粉末 主 要 是 熔 化 而 不 是 反应 ， 见 图 伪 这样 ， 大 部 分 反应只 能发生在熔融铝和 镍 沉积 之 后 或 接触 基 材 的 瞬 间 见 图 〔 因 此 ， 七的放热反应会使粉末在接触 基材 的瞬 间温度 比较 高 卜 ℃ ， 同时保 持熔 融 的时 间又较长 ， 这样就起 到 了 自粘结 的作用 但是 ， ， 之 间的放热 反应 是 受 到铝扩 散控制 的 ， 沉积 到基材上后 会快速凝 固 ， 形 成 的凝 固层 会 阻 止铝 进一 步扩 散 ， 因 此 形 成 的镍 铝 金 属 间 化合 物 比较少 如 说 复合 粉末 ， 涂层 中 的主 相 为 和 ， 还有 少量 的 ， 难检 测 到 其他 气 金 属 间化合物〔周 化 ， 厂熔 火助 气 ， · “ 一 别 了 粒子扮 ’ 一 ’ 、 二 涂层 铁 ··，· ， 、 、 一口臼甲聚兰，。 序仕夕毛粉叮沪到夕佑末︽墨 厂 ‘濒心再闷︸ 佃巨甲 、 反 图 自粘结粉末和反应火焰喷涂粉末的反应历程 自粘结包扭粉末 喷涂前 喷涂中被熔化 在接触基 材及在基材上发生反应 反应火焰喷涂团聚粉末 喷涂 前 毋 喷涂中发生反应 合成的材料沉积在基材上 电 “ ， 网 比 代 柱 血 反应 火焰喷涂 一 涂层 则 不 同 由于 组 成 团聚 粉末 的组 元粒 度 达微 米 级 ， 且 反 应 组 元 的固态扩散激活 能又 比较低 ， 体系 的动力学条 件易满足 ， 反应物 易 引燃 ， 大部分 反 应 发 生 在 一 之间的地段 见 图 另一 方面 ， 为使喷涂粉末 达到 最 大 的 飞 行速 度 ， 喷涂 距 离 为 是 最佳百 这 就 是 说 ， 反 应 火焰 喷涂 粉末在到基材之前 反应基本 结束 ， 即 大部 分 反 应发生在飞行过程 中 与 自粘结粉 末相 比 ， 二 者 的最 大 不 同在 于 沉积 阶 段 见 图 和 作 为 自粘结粉末 ， 其沉积 过 程包含有放 热 反应 过 程 而 反应火焰喷涂粉末 ， 只 是将在飞 行 过程 中 合成 的材料沉积 到基材上 ， 因此 ， 不 能起 到 自粘 结粉末 的作用 ， 难 以提高涂层 与基材之 间 的结 合 强 度 由此看来 ， 反应 火焰喷涂与传统 热喷涂相 比 ， 其优势 在 于 利用廉价原料一 步合 成 、 沉 积 比较 昂贵 的涂层 材料 能将 微细 林 且 呈球 形 的陶 瓷 组 元 引入 到金 属 陶 瓷 涂层 中 作 为涂层 材 料 ， 金属对 陶瓷 的润湿 性好 结论 在 反 应火焰喷涂合成 一 涂层 的过 程 中 ， 喷涂粉末 在 飞 行 过程 中 的反应 是 逐 步进

·230· 北京科技大学学报 2000年第3期 行的.当喷涂距离小于l25mm时为固态反应：5刘长松，刘永合，殷声，反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层 喷涂距离为125~170mm是发生SHS反应的主 的热力学分析.金属学报，2000,36(1)：62 要区域；当喷涂距离大于170mm时涂层中合成 6FauchaisP,Vardeue A,Denoirjean A.Reactive Thermal Plasmas:Ultrafine Particle Synthesis and Coating Deposi- 的TC,有失碳现象. tion.Surf Coat Technol,1997,97:66 (2)由于在到达工件表面时，喷涂粉末的反 7 Choi Y,Rhee S.Equilibrium in the Reaction of Ti and C to 应己基本结束，因此，反应火焰喷涂过程的反应 Form Substoichiometric TiC,.J Mater Sci Lett,1994:323 放热主要用于合成涂层材料，而没有“自粘结” 8 Cliche G,Dallaire S.Synthesis of TiC and (Ti,W)C in Sol- 作用， vent Metals.Mater Sci Eng,1991,A148:319 9 Barituli C,Smith R W.Comparision between Ni-Cr-40vol- (3)与传统热喷涂相比，反应火焰喷涂的优 TiC Wear Resistant Plasma Sprayed Coatings Produced 势在于：利用廉价原料一步合成、沉积比较昂贵 form SHS and Plasma Densified Powders.J Thermal Spray 的涂层材料，并且获得的金属陶瓷涂层中能够 Technol,1996,5(3):335 引入高达60%（体积分数）微细(<1m)且呈球 10李树堂.晶体X射线衍射学.北京：冶金工业出版社， 形的高熔点陶瓷组元. 1990.154 11 Saidi A,Chrysanthou A,Wood J V,et al.Characteristics of 参考文献 the Combustion Synthesis of TiC and Fe-TiC Composites. 1 Dallaire S.Thick Abrasion-wear Resistant Stainless Steel- J Mater Sci,1994,29:4993 TiB,Coatings Obtained By Arc Spraying SHS Reaction 12沈兴.差热、热重分析与非等温固相反应动力学.北 Products.in:the Powder Metallurgy World Congres,Spa- 京：冶金工业出版社，1995：50 in,1994.1911 13殷声.然烧合成.北京：冶金工业出版社，1999.42 2 Champagne B,Dallaire S.Plasma Spray Synthesis of TiB,- 14鲍明远，孟凡吉.氧乙炔火焰粉未喷涂和喷焊.北京： Fe Coatings.J Vac Sci Technol,1985,A3(6):2373 机械工业出版社，1993.56 3 Dallaire S.Thermal Spraying of Reactive Materials to 15 Ingham H S.Bonding of Flame Sprayed Ni-Al.J Vac Sci Form Wear-resistant Composite Coatings.J Thermal Technol,1975,12(4):773 Spray Technol,1992,1(1):41 16 Deevi S C,Sikka V K,Swindeman C J,et al.Reactive 4 Cliche G,Dallaire S.Synthesis and Deposition of TiC-Fe Spraying of Nickel-Aluminide Coatings.J Thermal Spray Coating by Plasma Spraying.Surf Coat Technol,1991,46: Technol,1997,6(3):335 199 Reaction Mechanism of Preparing TiC-Fe Coatings by Reactive Flame Spray Synthesis LIN Changsong,HUANG Jihua, YIN Sheng Material Science and Engineering Shool,UST Beijing,Beijing100083,China ABSTRACT The reaction mechanism of Fe-Ti-C system was studied by Deferent Thermal Analysis (DTA), X-Ray Analysis (XRD),Scanning Electron Micrograph (SEM)and other means during the reactive agglo- merated spray powder flying when TiC-Fe cermet coatings were obtained by Reactive Flame Spray Synthesis (RFSS).It is revealed that the reaction of Fe-Ti-C system happened step by step during the reactive spray pow- der flying,and basically finished when it reached the substrate.TiC-Fe materials were mainly synthesized when the spray distance is 125~170 mm.Therefore,Compared with the traditional oxygen-acetylene flame spray technology,the advantages of RFSS lied in simultaneous synteesis and deposition of expensive coating materials from an in-situ reaction of cheap raw materials. KEY WORDS reactive flame spray synthesis (RFSS);reaction mechanism,Fe-Ti-C system

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 行 的 当喷涂距 离 小 于 时 为 固 态 反 应 喷涂距 离为 一 是 发 生 反 应 的主 要 区域 当喷涂 距 离大 于 时涂 层 中合 成 的 有 失碳 现象 由于 在到达 工 件表面 时 ， 喷涂 粉 末 的反 应 已基 本结束 ， 因此 ， 反应火焰 喷涂过 程 的反应 放 热主 要用 于 合 成涂层 材料 ， 而 没 有 “ 自粘结 ” 作 用 与传 统 热 喷涂相 比 ， 反应 火焰 喷涂 的优 势在于 利用 廉 价 原料 一 步 合 成 、 沉积 比较 昂贵 的涂层 材料 ， 并且 获 得 的金 属 陶瓷 涂层 中能够 引入 高达 体 积 分数 微 细 林 且 呈 球 形 的高熔 点陶瓷 组 元 参 考 文 献 七 一 切叮 五 户 巧叱 七 ， ， ， · 、 乞 ， ， 七 粉口 ， ， ， 一 ， ， 刘 长松 ， 刘 永合 ， 殷 声 反 应 火焰 喷涂合 成 一 涂层 的热力 学分析 金 属学报 ， ， ， ， ， ， ， 石 ， ， ， ， ， ， 一 七 五 ， ， 李树堂 晶体 射线衍射学 北京 冶金 工 业 出版社 ， ， ， ， ‘ · 魏 ， ， 沈兴 差热 、 热重分析与非等温 固相反应动 力学 北 京 冶金 工 业 出版社 ， 殷声 燃烧合成 北京 冶金工业 出版社 ， 鲍 明远 ， 孟凡 吉 氧 乙炔火焰粉末 喷涂和 喷焊 北京 机械工 业 出版社 ， 一 、 恤 七 ， ， ， ， ， 助 一 诚 ， ， 一 乙石 口， ， 仗 ， ， ， 耐 一 一 勿 ， 一助 ， 刊山叮 铭 一 妙 即 一 一 妙 而 ， 加 一 一 ， ， 而 一 ， 一 一