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