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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