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