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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·