D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.06.034 第29卷第6期 北京科技大学学报 Vol.29 No.6 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2007 反应火焰喷涂TiC/F金属陶瓷复合涂层的组织结构 李志文)刘长松1,2)黄继华) 1)青岛理工大学机械工程学院，青岛2660332)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用钛铁矿粉、石墨粉和铁粉为主要原料，利用反应火焰喷涂技术成功制备了TiCF金属陶瓷复合涂层·采用X射 线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等手段，研究了涂层的显微组织结构，结果表明，反应火焰喷涂TC/F复合涂层主要由TiC和 F两相组成：涂层具有多层多相的结构，即由TiC含量不同的片层交替叠加而成：在富TiC片层中，大量的、比较细小的（粒 度小于0.5m),大致呈球形的TiC颗粒弥散分布在Fe基体上·这种显微组织结构有利于改善金属陶瓷涂层的耐磨性能 关键词金属陶瓷：涂层；TC/Fe;显微结构：自蔓延高温合成(SHS) 分类号TG174 金属陶瓷复合涂层，尤其碳化物/金属复合涂 理2]，涂层的耐磨性能]及成分参数对涂层性能 层，在冶金、矿山、石油和化工等领域的耐磨件的制 的影响，并对喷涂过程的热力学进行了分析]. 造和修复中广泛应用.在传统热喷涂技术中，陶瓷 本文研究了反应火焰喷涂TC/Fe涂层的显微结 相通常采用外加复合（或混和）的方式预制在喷涂粉 构，以揭示涂层性能、组织及结构之间的关系， 末或丝材中，涂层中陶瓷相往往分布不均匀，粒度较 大，陶瓷/金属结合界面易受污染，影响了金属陶瓷 1实验过程 涂层的性能3] 实验选用钛铁矿粉（辽宁铁合金厂）、铁粉（辽宁 将自蔓延高温合成技术(self-propagation high 铁合金厂)和胶体石墨粉（上海胶体石墨厂，粒度为 temperature synthesis,简称SHS)与常规热喷涂技 4m)为基本原料，首先把铁粉和钛铁粉在酒精介 术相结合，在热喷涂过程中，充分利用反应喷涂粉末 质中分别球磨若干时间，球磨后钛铁粉的平均粒度 (或丝材)的SHS反应及其放热，发展反应热喷涂技 为4.83m,铁粉为21.91m,经干燥后，三种粉末 术，为制备性能优异的金属陶瓷涂层提供了一种新 再按组成要求，干混24h,球料质量比为3：1，球磨 的方法和思路[).SHS与氧乙炔火焰粉末喷涂技 机转速为120rmin.混料经干燥后，加入适量聚 术相结合，目前已经研究了Fe一Ti一C)、CrFe一 乙烯醇水溶液，再用机械团聚法制粒，经筛分得到符 TiC1o]、A下e一TiC四体系的反应火焰喷涂技 合喷涂要求的喷涂粉末， 术(reactive flame spray,简称RFS):其中，着重研究 采用CPD3型普通氧乙炔火焰喷枪（成都长诚 了以钛铁、石墨和铁粉为原料制备TiC/Fe涂层的 热喷涂技术研究所)，基体材料为45钢，反应火焰 反应火焰喷涂技术，主要包括喷涂过程的反应机 喷涂粉末的主要成分及其制备工艺见表1，由于 表1反应火焰喷涂TC/e及传统火焰喷涂WC/N45涂层所用喷涂粉未 Table 1 Conditions of spray powder for reactive and traditional flame sprayed coatings 粉末类型 主要成分（质量分数）/% 原材料 制备工艺 反应火焰喷涂粉末 Ti:40,C:14,Fe:46 钛铁矿，石墨，铁 团聚法 传统金属陶瓷喷涂粉末WC/Ni45 N45:80,WC:20 WC,Ni45自熔合金粉末 混合法 注：1)Ni5的主要成分（质量分数，%）：C0.30.6,Cr14~18,B2.0~3.5,Si3.5~4:5,Fe<10,Ca8.0~12,Ni余量：2)钛铁矿主要成分 (质量分数，%)：Ti65.12,Si1.5,A10.51,s0.022,P0.025,C0.15,Fe余量. TC的熔点高，在喷涂过程中难以熔化，含有TC陶 收稿日期：.2006-02-20修回日期：2006-06-29 瓷相的金属陶瓷喷涂粉末尚未得到商业化，因此实 基金项目：山东省教育厅重大项目(N。·J05D08):河南省杰出人才 验中选用已商业化的WC/Ni45金属陶瓷喷涂粉末 创新基金资助项目(No.0421001000)和青岛市科技发展计划项目 (Na.05-1Jc89) (中国矿业研究院)作为对比试样，其主要成分及制 作者简介：李志文(1969一)女，工程师，硕士 备工艺见表1.用X射线衍射仪（型号：Rigaku
反应火焰喷涂 TiC／Fe 金属陶瓷复合涂层的组织结构 李志文1） 刘长松12） 黄继华2） 1） 青岛理工大学机械工程学院青岛266033 2） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 采用钛铁矿粉、石墨粉和铁粉为主要原料利用反应火焰喷涂技术成功制备了 TiC／Fe 金属陶瓷复合涂层．采用 X 射 线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等手段研究了涂层的显微组织结构．结果表明反应火焰喷涂 TiC／Fe 复合涂层主要由 TiC 和 Fe 两相组成．涂层具有多层多相的结构即由 TiC 含量不同的片层交替叠加而成；在富 TiC 片层中大量的、比较细小的（粒 度小于0∙5μm）、大致呈球形的 TiC 颗粒弥散分布在 Fe 基体上．这种显微组织结构有利于改善金属陶瓷涂层的耐磨性能． 关键词 金属陶瓷；涂层；TiC／Fe；显微结构；自蔓延高温合成（SHS） 分类号 TG174 收稿日期：2006－02－20 修回日期：2006－06－29 基金项目：山东省教育厅重大项目（No．J05D08）；河南省杰出人才 创新基金资助项目（No．0421001000）和青岛市科技发展计划项目 （No．05－1－Jc－89） 作者简介：李志文（1969－）女工程师硕士 金属陶瓷复合涂层尤其碳化物／金属复合涂 层在冶金、矿山、石油和化工等领域的耐磨件的制 造和修复中广泛应用．在传统热喷涂技术中陶瓷 相通常采用外加复合（或混和）的方式预制在喷涂粉 末或丝材中涂层中陶瓷相往往分布不均匀粒度较 大陶瓷／金属结合界面易受污染影响了金属陶瓷 涂层的性能［1－3］． 将自蔓延高温合成技术（self-propagation hightemperature synthesis简称 SHS）与常规热喷涂技 术相结合在热喷涂过程中充分利用反应喷涂粉末 （或丝材）的 SHS 反应及其放热发展反应热喷涂技 术为制备性能优异的金属陶瓷涂层提供了一种新 的方法和思路［4－9］．SHS 与氧乙炔火焰粉末喷涂技 术相结合目前已经研究了 Fe－Ti－C ［9］、Cr－Fe－ Ti－C ［10］、Al－Fe－Ti－C ［11］ 体系的反应火焰喷涂技 术（reactive flame spray简称 RFS）．其中着重研究 了以钛铁、石墨和铁粉为原料制备 TiC／Fe 涂层的 反应火焰喷涂技术主要包括喷涂过程的反应机 理［12］、涂层的耐磨性能［13］ 及成分参数对涂层性能 的影响［14］并对喷涂过程的热力学进行了分析［15］． 本文研究了反应火焰喷涂 TiC／Fe 涂层的显微结 构以揭示涂层性能、组织及结构之间的关系． 1 实验过程 实验选用钛铁矿粉（辽宁铁合金厂）、铁粉（辽宁 铁合金厂）和胶体石墨粉（上海胶体石墨厂粒度为 4μm）为基本原料．首先把铁粉和钛铁粉在酒精介 质中分别球磨若干时间球磨后钛铁粉的平均粒度 为4∙83μm铁粉为21∙91μm．经干燥后三种粉末 再按组成要求干混24h球料质量比为3∶1球磨 机转速为120r·min －1．混料经干燥后加入适量聚 乙烯醇水溶液再用机械团聚法制粒经筛分得到符 合喷涂要求的喷涂粉末． 采用 CP－D3型普通氧乙炔火焰喷枪（成都长诚 热喷涂技术研究所）基体材料为45＃钢反应火焰 喷涂粉末的主要成分及其制备工艺见表1．由于 表1 反应火焰喷涂 TiC／Fe 及传统火焰喷涂 WC／Ni45涂层所用喷涂粉末 Table1Conditions of spray powder for reactive and traditional flame sprayed coatings 粉末类型 主要成分（质量分数）／％ 原材料 制备工艺 反应火焰喷涂粉末 Ti：40C：14Fe：46 钛铁矿、石墨、铁 团聚法 传统金属陶瓷喷涂粉末 WC／Ni45 N45：80WC：20 WCNi45自熔合金粉末 混合法 注：1）Ni45的主要成分（质量分数％）：C0∙3～0∙6Cr14～18B2∙0～3∙5Si3∙5～4∙5Fe＜10Co8∙0～12Ni 余量；2）钛铁矿主要成分 （质量分数％）：Ti65∙12Si1∙5Al0∙51S 0∙022P 0∙025C0∙15Fe 余量． TiC 的熔点高在喷涂过程中难以熔化含有 TiC 陶 瓷相的金属陶瓷喷涂粉末尚未得到商业化因此实 验中选用已商业化的 WC／Ni45金属陶瓷喷涂粉末 （中国矿业研究院）作为对比试样其主要成分及制 备工艺见表 1．用 X 射线衍射仪 （型号：Rigaku 第29卷 第6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．6 Jun．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．06．034
,600 北京科技大学学报 第29卷 RADC)分析涂层的相组成，用S一250扫描电镜和 但Ti与C之间的放热反应是最主要的.涂层中的 H8O0透射电镜观察涂层的显微形貌， 杂质相主要为钛的氧化物，而不是铁的氧化物，其原 2结果及讨论 因可能在于：一是钛的氧化物的吉布斯自由能比铁 的氧化物更负，相差约100 kJ.mol一，即从热力学上 以钛、铁、碳为主要组分的喷涂粉末，在氧乙炔 讲，钛比铁氧化的倾向性更大一些；二是碳化物陶瓷 火焰焰流（主要含有N2和O2等）的作用下，可能会 在高温下易被氧化·这也说明已合成的TC有可能 发生如下反应 被氧乙炔焰流氧化， ①Ti与C的放热反应： 2000 Ti+C-TiC,A He=+184kJ-mol; 1000 原料：钛铁+石墨 ②Ti的氧化反应： Ti+02 Tix0y; o Fe ③Ti的氨化反应： 2000 FeTi 涂层 Ti十N2 TixNx; 1000H TiO, ④TiC的氧化反应： 20 40 6080100 TiC十02Ti0x十C0x: 20) ⑤C的氧化： C十02℃0z; 图1喷涂粉末及涂层的X射线衍射谱 Fig.1 XRD patterns of the rough materials and coatings ⑥Fe的氧化： Fe十0z℉ex0y 图2是反应火焰喷涂TiC/Fe涂层的SEM形 图1是涂层的XRD结果，可以看出，涂层中除 貌.从其低倍形貌（图2(a)来看，反应火焰喷涂涂 含有少量钛的氧化物外，主相为TiC和Fe,这说明 层的形貌具有在大气中热喷涂涂层的典型特征：涂 尽管上述几种反应在实际喷涂过程中会构成竞争， 层主要由大小不一的扁平颗粒组成（即片层结构）， (a) 100m 4 um (d) 4m 图2反应火焰喷涂TiC/下e涂层的SEM形貌.(a)低倍形貌：(b)浅色区域：(c灰色区域：(d)深色区域 Fig.2 SEMphotographs of TiC/Fe coatings obtained by reactive flame spraying:(a)under low magnification:(b)white areas;(c)gray areas: (d)dark areas
RAD－C）分析涂层的相组成用 S－250扫描电镜和 H－800透射电镜观察涂层的显微形貌． 2 结果及讨论 以钛、铁、碳为主要组分的喷涂粉末在氧乙炔 火焰焰流（主要含有 N2 和 O2 等）的作用下可能会 发生如下反应． ① Ti 与 C 的放热反应： Ti＋C TiCΔr H ○－ m ＝＋184kJ·mol －1 ； ② Ti 的氧化反应： Ti＋O2 Ti xOy； ③ Ti 的氮化反应： Ti＋N2 Ti xNy； ④ TiC 的氧化反应： TiC＋O2 TiOx＋COy； ⑤ C 的氧化： C＋O2 CO2； ⑥ Fe 的氧化： Fe＋O2 Fe xOy． 图1是涂层的 XRD 结果．可以看出涂层中除 含有少量钛的氧化物外主相为 TiC 和 Fe．这说明 尽管上述几种反应在实际喷涂过程中会构成竞争 但 Ti 与 C 之间的放热反应是最主要的．涂层中的 杂质相主要为钛的氧化物而不是铁的氧化物其原 因可能在于：一是钛的氧化物的吉布斯自由能比铁 的氧化物更负相差约100kJ·mol －1即从热力学上 讲钛比铁氧化的倾向性更大一些；二是碳化物陶瓷 在高温下易被氧化．这也说明已合成的 TiC 有可能 被氧乙炔焰流氧化． 图1 喷涂粉末及涂层的 X 射线衍射谱 Fig．1 XRD patterns of the rough materials and coatings 图2是反应火焰喷涂 TiC／Fe 涂层的 SEM 形 貌．从其低倍形貌（图2（a））来看反应火焰喷涂涂 层的形貌具有在大气中热喷涂涂层的典型特征：涂 层主要由大小不一的扁平颗粒组成（即片层结构） 图2 反应火焰喷涂 TiC／Fe 涂层的 SEM 形貌．（a） 低倍形貌；（b） 浅色区域；（c） 灰色区域；（d） 深色区域 Fig．2 SEM photographs of TiC／Fe coatings obtained by reactive flame spraying： （a） under low magnification；（b） white areas；（c） gray areas； （d） dark areas ·600· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第6期 李志文等：反应火焰喷涂C/F金属陶瓷复合涂层的组织结构 .601. 其中夹杂少量未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙.值 6.0GPa,另外从图2还可以发现，涂层合成的TiC 得指出的是，图中片层的颜色深浅不同，图2(b) 大致呈球形，粒度非常细小，一般在0.5m以下. (d)分别是(a)中颜色浅、灰、深片层的放大形貌.可 从涂层的TEM形貌（图3）可以观察到TC颗粒的 见，片层的颜色差异说明了TC的含量不同，富TiC 富集（见图3(a)·由放大的TEM照片（图3（凸）)可 层的颜色偏深，而贫TC层的颜色偏浅、显微硬度 以看出，TiC的晶粒大小约为0.2~0.4m,有的 仪的测量结果也证实了这一点：涂层中深色和浅色 TiC颗粒呈现较规则的多边形.图3(c)是单个TiC 片层的显微硬度分别达11.9~13.7GPa和3.3~ 颗粒的衍射斑点，图3(d)是涂层基体相的衍射斑 (a) TiC富集区域 (b) (c) 224 02 g 2172m 2 um 300nm 图3反应火焰喷涂TiC/Fe涂层的TEM照片.(a)低倍形貌；(b)高倍形貌：(c)TiC颗粒的选区衍射：(d)基体的选区衍射 Fig-3 TEM photographs of reactive flame sprayed TiC/Fe coatings:(a)under low magnification:(b)under high magnification:(c)SAD pat- tern of a TiC particle;(d)SAD pattern of the Fe matrix 点，可见基体是a下e, 涂粉末时，其中的陶瓷相很难得到熔化.换言之，传 图4是氧乙炔火焰喷涂WC/Ni45金属陶瓷喷 统工艺制备的金属陶瓷涂层中，陶瓷相颗粒粗大、陶 涂粉末的涂层$EM形貌，与反应火焰喷涂（图2）相 瓷相与基体相之间结合不良、陶瓷相分布不均匀等 比，WC/Ni45涂层中的陶瓷相WC的颗粒比较粗 弊病是很难克服的，而在反应火焰喷涂TiC/Fe复 大，WC的分布不均匀，有的颗粒甚至横穿片层 合涂层中，由于Fε的加入使体系的燃烧温度大大降 低，从而降低了TiC长大的驱动力]，使TiC晶粒 的长大随燃烧温度的增高呈指数关系下降；其次当 喷涂粒子与基材碰撞后，其凝固速度非常快，快的凝 固速度阻碍了TiC晶粒的长大，因此，涂层中TiC 颗粒细小，可以达到亚微米级.另一方面，在喷涂过 程中反应组元之间的SHS反应特性，决定了涂层中 T00μm 陶瓷相的分布比较均匀，同时陶瓷相与基体相之间 的界面清洁，无（或少）污染 图4常规火焰喷涂WCi45涂层的SEM形貌 Fig.4 SEM Photograph of WC/Ni45 coating obtained by tradi- 金属陶瓷在磨损过程中，硬质相颗粒间距较大 tional flame spraying 区域的软基体会率先被磨损，接着在磨擦接触应力 的作用下，易发生塑性变形，随时间延长、塑变积累， 对比图2~4可以看出，与传统火焰喷涂金属陶 在亚表层会形成微裂纹；磨损继续进行时，裂纹不断 瓷涂层相比，反应火焰喷涂涂层显微形貌的差别主 扩展，发展到硬质相/粘结相界面后，沿界面扩展，最 要在于：陶瓷相颗粒比较细小，陶瓷相分布比较均 终导致硬质相的剥落叮.从上述的反应火焰喷涂 匀.这主要是由于：(1)大多传统金属陶瓷喷涂粉末 和传统火焰喷涂的显微结构对比来看，反应火焰喷 是把金属（或合金）和陶瓷利用外加复合（或混合）制 涂涂层具有多层多相结构，即硬质相和软质相交替 取；(2)作为碳化物陶瓷，一是其熔点比较高，二是在 重叠排列，在每一片层中，又有复合结构：细小的硬 高温下存在失碳的可能（温度越高，失碳的可能性越 质相弥散分布在软基体上，研究表明，这种多层多 大)，因此，利用传统喷涂技术喷涂传统金属陶瓷喷 相的结构在磨擦过程中会有效阻碍裂纹扩展，增加
其中夹杂少量未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙．值 得指出的是图中片层的颜色深浅不同图2（b）～ （d）分别是（a）中颜色浅、灰、深片层的放大形貌．可 见片层的颜色差异说明了 TiC 的含量不同富 TiC 层的颜色偏深而贫 TiC 层的颜色偏浅．显微硬度 仪的测量结果也证实了这一点：涂层中深色和浅色 片层的显微硬度分别达11∙9～13∙7GPa 和3∙3～ 6∙0GPa．另外从图2还可以发现涂层合成的 TiC 大致呈球形粒度非常细小一般在0∙5μm 以下． 从涂层的 TEM 形貌（图3）可以观察到 TiC 颗粒的 富集（见图3（a））．由放大的 TEM 照片（图3（b））可 以看出TiC 的晶粒大小约为0∙2～0∙4μm有的 TiC 颗粒呈现较规则的多边形．图3（c）是单个 TiC 颗粒的衍射斑点图3（d）是涂层基体相的衍射斑 图3 反应火焰喷涂 TiC／Fe 涂层的 TEM 照片．（a） 低倍形貌；（b） 高倍形貌；（c） TiC 颗粒的选区衍射；（d）基体的选区衍射 Fig．3 TEM photographs of reactive flame sprayed TiC／Fe coatings：（a） under low magnification；（b） under high magnification；（c） SAD pattern of a TiC particle；（d） SAD pattern of the Fe matrix 点可见基体是α－Fe． 图4是氧乙炔火焰喷涂 WC／Ni45金属陶瓷喷 涂粉末的涂层SEM 形貌．与反应火焰喷涂（图2）相 比WC／Ni45涂层中的陶瓷相 WC 的颗粒比较粗 大WC 的分布不均匀有的颗粒甚至横穿片层． 图4 常规火焰喷涂 WC／Ni45涂层的 SEM 形貌 Fig．4 SEM Photograph of WC／Ni45 coating obtained by traditional flame spraying 对比图2～4可以看出与传统火焰喷涂金属陶 瓷涂层相比反应火焰喷涂涂层显微形貌的差别主 要在于：陶瓷相颗粒比较细小陶瓷相分布比较均 匀．这主要是由于：（1）大多传统金属陶瓷喷涂粉末 是把金属（或合金）和陶瓷利用外加复合（或混合）制 取；（2）作为碳化物陶瓷一是其熔点比较高二是在 高温下存在失碳的可能（温度越高失碳的可能性越 大）．因此利用传统喷涂技术喷涂传统金属陶瓷喷 涂粉末时其中的陶瓷相很难得到熔化．换言之传 统工艺制备的金属陶瓷涂层中陶瓷相颗粒粗大、陶 瓷相与基体相之间结合不良、陶瓷相分布不均匀等 弊病是很难克服的．而在反应火焰喷涂 TiC／Fe 复 合涂层中由于 Fe 的加入使体系的燃烧温度大大降 低从而降低了 TiC 长大的驱动力［16］使 TiC 晶粒 的长大随燃烧温度的增高呈指数关系下降；其次当 喷涂粒子与基材碰撞后其凝固速度非常快快的凝 固速度阻碍了 TiC 晶粒的长大．因此涂层中 TiC 颗粒细小可以达到亚微米级．另一方面在喷涂过 程中反应组元之间的 SHS 反应特性决定了涂层中 陶瓷相的分布比较均匀同时陶瓷相与基体相之间 的界面清洁无（或少）污染． 金属陶瓷在磨损过程中硬质相颗粒间距较大 区域的软基体会率先被磨损接着在磨擦接触应力 的作用下易发生塑性变形随时间延长、塑变积累 在亚表层会形成微裂纹；磨损继续进行时裂纹不断 扩展发展到硬质相／粘结相界面后沿界面扩展最 终导致硬质相的剥落［17］．从上述的反应火焰喷涂 和传统火焰喷涂的显微结构对比来看反应火焰喷 涂涂层具有多层多相结构即硬质相和软质相交替 重叠排列在每一片层中又有复合结构：细小的硬 质相弥散分布在软基体上．研究表明这种多层多 相的结构在磨擦过程中会有效阻碍裂纹扩展增加 第6期 李志文等： 反应火焰喷涂 TiC／Fe 金属陶瓷复合涂层的组织结构 ·601·
,602 北京科技大学学报 第29卷 涂层的抗疲劳性能]，对涂层的耐磨是很重要的， [5]刘长松，殷声.反应热喷涂的发展.材料保护，2000,33(1)：83 因为在实际应用中，硬面涂层往往因疲劳开裂进而 [6]Valente T,Galliano F P.Corrosion resistance properties of reac- tive plasma"sprayed titanium composite coatings.Surf Coat Tech- 剥落失效， 0l,2000,127(1).86 3结论 [7]Ananthapadmanabhan P V,Taylor P R.Titanium carbide iron composite coating by reactive plasma spraying of ilmenite.J Al- 采用钛铁矿粉、石墨和铁粉为主要原料，利用反 1 oys Compd,1999,287(6):121 应火焰喷涂技术可以制备TiC/Fe金属陶瓷复合涂 [8]Li Z W,Liu CS,Huang J H.et al.Synthesis and deposition of 层.在喷涂过程中，Ti、C、Fe三种反应组元以及氧 TiC Fe coatings by oxygen acetylene flame spraying J Mater Sci Technol,2003,19(2):161 乙炔火焰焰流气体之间可能会发生一系列竞争性的 [9]Liu CS,Huang J H,Yin S.A new process for the fine ceramie- 化学反应，但是Ti与C之间的放热反应是最主要 containing composite coatings.JUniv Sci Technol Beijing,2000. 的，因此涂层中的主相为TiC和Fe·涂层的形貌呈 7(3):214 层状结构，由TiC含量不同的片层交替叠加而成； [I0]刘长松，黄继华，殷声.C下e一Ti℃系反应火焰喷涂研究. 在每一个片层中，比较细小的TC颗粒弥散分布在 粉末冶金技术，2001,19(6)：358 [11】黄继华，刘长松，党全坤，等.反应火焰喷涂TC/Fe一A复合 Fe基体上；TiC颗粒大致呈球形，粒度一般在 涂层的研究.粉末冶金技术，2002,20(4)：219 0.5m以下.这种多层多相的涂层结构，会有效阻 [12]刘长松，黄继华，殷声.反应火焰喷涂合成T汇一Fe涂层的反 碍摩擦过程中出现的裂纹扩展，从而显著改善金属 应机理.北京科技大学学报，2000,22(3)：227 陶瓷涂层的耐磨性能， [13]刘长松，黄继华，殷声.反应火焰喷涂合成TC下c涂层的耐 磨性能研究.北京科技大学学报，2001,23(3)：236 参考文献 [14]Liu CS,Huang J H.Yin S.The influence of composition and [1]胡正前，张文华，孙文华，等.等离子喷涂TiC一N一Mo金属陶 process parameters on the microstructure of TiC Fe coatings ob- 瓷涂层成分对组织与性能影响的研究.复合材料学报，1999， tained by reactive flame spray process.J Mater Sci.2002.37: 5241 16(3):87 [15]刘长松，黄继华，殷声.火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的热力学 [2]Economou S,Bonte M D.Cells J P.et al.Tribological behaviour at room temperature and at 550C of TiC-based plasma sprayed 分析.金属学报，2000,36(1)：62 [16]Choi Y,Rhee S.Effect of iron and cobalt addition on TiC com- coatings in fretting gross slip conditions.Wear,2000.244(1): 165 bustion synthesis.J Mater Res.1993.8(12):3202 [17]刘宁，崔昆，胡镇华，等.T(C,NI)基金属陶瓷磨损机理的研 [3]Tondu S.Schnick T,Pawlow ski L.et al.Laser glazing of FeCr- 究.磨擦学学报，1999,19(2)：126 TiC composite coatings.Surf Coat Technol,2000,123(2):247 [4]Roberta L.Roberto O.Giacomo C.et al.Self-propagating com- [18]Dallaire S.Cliche G.Tribological properties of TiC Fe coatings bustion synthesis and plasma spraying deposition of TiC Fe pow obtained by plasma spraying reactive powders.J Therm Spray ders.Ceram Int.2003.29(5):519 Technol,1993,2():39 Microstructure of TiC/Fe composite coatings prepared by reactive flame spraying LI Zhiwen,LIU Changsong.HUANG Jihua 1)Mechanical Engineering School.Qingdao Technological University.Qingdao 266033.China 2)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI TiC/Fe composite coatings were successfully obtained by reactive flame spraying(RFS)with il- menite,graphite and ferrous powder as rough materials.The microstructure of the composite coatings and the relations among their wear properties,phases and microstructure were investigated by X ray diffraction,scan- ning electron microscopy and transaction electron microscopy.The results show that the composite coatings mainly consist of TiC and Fe phases and were composed of alternate soft and hard layers with different TiC con- tents.In the TiCrich layers,lots of submicron (<0.5 /m)and approximately round TiC particles are dis- persed in the iron matrix.This multiphase and multilayer coatings will be helpful to improve the wear resistance of cermet composite coatings. KEY WORDS cermets:coating:TiC/Fe:microstructure;self propagating high-temperature synthesis(SHS)
涂层的抗疲劳性能［18］对涂层的耐磨是很重要的 因为在实际应用中硬面涂层往往因疲劳开裂进而 剥落失效． 3 结论 采用钛铁矿粉、石墨和铁粉为主要原料利用反 应火焰喷涂技术可以制备 TiC／Fe 金属陶瓷复合涂 层．在喷涂过程中Ti、C、Fe 三种反应组元以及氧 乙炔火焰焰流气体之间可能会发生一系列竞争性的 化学反应但是 Ti 与 C 之间的放热反应是最主要 的因此涂层中的主相为 TiC 和 Fe．涂层的形貌呈 层状结构由 TiC 含量不同的片层交替叠加而成； 在每一个片层中比较细小的 TiC 颗粒弥散分布在 Fe 基 体 上；TiC 颗 粒 大 致 呈 球 形粒 度 一 般 在 0∙5μm以下．这种多层多相的涂层结构会有效阻 碍摩擦过程中出现的裂纹扩展从而显著改善金属 陶瓷涂层的耐磨性能． 参 考 文 献 ［1］ 胡正前张文华孙文华等．等离子喷涂 TiC－Ni－Mo 金属陶 瓷涂层成分对组织与性能影响的研究．复合材料学报1999 16（3）：87 ［2］ Economou SBonte M DCells J Pet a1．Tribological behaviour at room temperature and at 550℃ of TiC－based plasma sprayed coatings in fretting gross slip conditions．Wear2000244（1）： 165 ［3］ Tondu SSchnick TPawlowski Let a1．Laser glazing of FeCr－ TiC composite coatings．Surf Coat Technol2000123（2）：247 ［4］ Roberta LRoberto OGiacomo Cet a1．Self-propagating combustion synthesis and plasma spraying deposition of TiC－Fe powders．Ceram Int200329（5）：519 ［5］ 刘长松殷声．反应热喷涂的发展．材料保护200033（1）：83 ［6］ Valente TGalliano F P．Corrosion resistance properties of reactive plasma-sprayed titanium composite coatings．Surf Coat Technol2000127（1）：86 ［7］ Ananthapadmanabhan P V Taylor P R．Titanium carbide-iron composite coating by reactive plasma spraying of ilmenite．J Alloys Compd1999287（6）：121 ［8］ Li Z WLiu C SHuang J Het al．Synthesis and deposition of TiC－Fe coatings by oxygen-acetylene flame spraying．J Mater Sci Technol200319（2）：161 ［9］ Liu C SHuang J HYin S．A new process for the fine-ceramiccontaining composite coatings．J Univ Sci Technol Beijing2000 7（3）：214 ［10］ 刘长松黄继华殷声．Cr－Fe－Ti－C 系反应火焰喷涂研究． 粉末冶金技术200119（6）：358 ［11］ 黄继华刘长松党全坤等．反应火焰喷涂 TiC／Fe－Al 复合 涂层的研究．粉末冶金技术200220（4）：219 ［12］ 刘长松黄继华殷声．反应火焰喷涂合成 TiC－Fe 涂层的反 应机理．北京科技大学学报200022（3）：227 ［13］ 刘长松黄继华殷声．反应火焰喷涂合成 TiC－Fe 涂层的耐 磨性能研究．北京科技大学学报200123（3）：236 ［14］ Liu C SHuang J HYin S．The influence of composition and process parameters on the microstructure of TiC－Fe coatings obtained by reactive flame spray process．J Mater Sci200237： 5241 ［15］ 刘长松黄继华殷声．火焰喷涂合成 TiC－Fe 涂层的热力学 分析．金属学报200036（1）：62 ［16］ Choi YRhee S．Effect of iron and cobalt addition on TiC combustion synthesis．J Mater Res19938（12）：3202 ［17］ 刘宁崔昆胡镇华等．Ti（CNI）基金属陶瓷磨损机理的研 究．磨擦学学报199919（2）：126 ［18］ Dallaire SCliche G．Tribological properties of TiC－Fe coatings obtained by plasma spraying reactive powders．J Therm Spray Technol19932（1）：39 Microstructure of TiC／Fe composite coatings prepared by reactive flame spraying LI Zhiwen 1）LIU Changsong 12）HUA NG Jihua 2） 1） Mechanical Engineering SchoolQingdao Technological UniversityQingdao266033China 2） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT TiC／Fe composite coatings were successfully obtained by reactive flame spraying （RFS） with ilmenitegraphite and ferrous powder as rough materials．The microstructure of the composite coatings and the relations among their wear propertiesphases and microstructure were investigated by X－ray diffractionscanning electron microscopy and transaction electron microscopy．The results show that the composite coatings mainly consist of TiC and Fe phases and were composed of alternate soft and hard layers with different TiC contents．In the TiC－rich layerslots of submicron （＜0∙5μm） and approximately round TiC particles are dispersed in the iron matrix．This multiphase and multilayer coatings will be helpful to improve the wear resistance of cermet composite coatings． KEY WORDS cermets；coating；TiC／Fe；microstructure；self-propagating high-temperature synthesis （SHS） ·602· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
