PTA原位合成Ti(C,N)/金属复合涂层研究

摘要

针对农业机械化作业的特点，为解决旋耕刀、犁铧等触土刀具制造成本高、易磨损、失效频繁和寿命低等现状，研究开发了金属表面熔覆陶瓷新工艺。采用等离子弧（PTA）熔覆技术在Q235钢表面原位合成Ti(C,N)-WC、Al2O3-Ti(C,N)等硬质相颗粒的金属陶瓷复合材料涂层，通过调节和控制工艺参数及改变原料粉末添加量、配方，研究了复合涂层的组织结构及耐磨耐蚀性，分析了涂层形成机理，并采用正交试验法优化了熔覆工艺参数，为Ti(C,N)/金属复合涂层应用于农机材料表面强化提供参考。　　研究表明，采用TiN粉末为固体氮源原位合成了Ti(C,N)-WC/Ni60A基金属陶瓷复合涂层，该涂层与基体呈冶金结合，其表层中多角片状WC较多，次表层由呈芯-环结构的硬质相埋置于粘结相之中构成。随着Ni60A含量的增加，涂层中硬质相晶粒减少，包覆相不完整，芯壳结构逐渐消失，涂层硬度降低；随着TiN含量的增加，硬质相晶粒细化，包覆相厚度减小或不完整，孔隙相、裂缝增多，并出现脆生相Ni3Ti，涂层硬度降低；随着WC含量的增加，改善了硬质相与粘结相之间的润湿性，抑制了硬质相晶粒长大，涂层硬度提高，当 WC 含量为 12Wt%时涂层硬度最高。对Ti-C-N-W-Fe-Ni体系进行了热力学分析，生成的Ti(C,N)颗粒自由能最低，生成物最稳定，生成含Ti(C,N)硬质相颗粒是可行的；对体系进行了反应动力学分析，建立了反应动力学模型及特征方程，通过减少Ni60A含量、提高温度、减小中间层厚度、细化碳颗粒等方法可提高生成TiC、Ti(C,N)的反应速率；硬质相颗粒扩散距离与体系的绝对温度、熔覆时长、颗粒直径及金属液体粘度系数有关。涂层硬度最高HV0.52040，平均硬度HV0.51750，约为基体硬度的7.2倍；涂层干滑动摩擦系数平均值为0.38，其耐磨性比65Mn钢及Q235基体分别提高6倍及16倍；以磨损量为考察指标对熔覆工艺参数进行优化，最佳水平组合为A3B2C3D3E2；WC含量为12Wt%的涂层在酸性及氯化钠溶液环境中腐蚀速率分别为基体的1/9和1/4，涂层耐腐蚀性能优于基体。　　采用TiN粉末为固体氮源，以铝热剂的放热反应提供内在热源、等离子弧柱为外在热源，原位合成了Al2O3-Ti(C,N)基复合材料涂层，涂层与基体呈冶金结合，涂层由网状、嵌套、球状等三种结构组成，硬质相Al2O3、Ti(C,N)与粘结相Fe-Ni之间相互包裹、互相嵌套，构形成空间网状骨架结构。涂层硬度最高可达HV0.52160，平均硬度HV0.51870，约为基体Q235钢的7.7倍；涂层摩擦系数约为0.372，其耐磨性比65Mn钢及Q235钢分别提高7倍多及17倍多；在酸性和氯化钠盐溶液环境中，涂层腐蚀速率分别为Q235钢的1/10和1/5，涂层耐腐蚀性能优于基体。　　采用三聚氰胺为碳氮前驱体预先制备g-C3N4粉末并以其为碳氮源，原位合成了Ti(C,N)基复合涂层，涂层与基体呈现冶金结合，涂层主要由芯-壳结构和多角片状WC硬质相弥散于Fe-Ni粘结相之中构成；涂层硬度最高HV0.51830 ，平均硬度HV0.51700，约为基体材料的7倍；涂层摩擦系数约为0.42，其耐磨性比65Mn钢和Q235钢分别提高4.7倍及11.6倍；在酸性及氯化钠溶液环境中，涂层腐蚀速率分别为Q235钢的1/7倍和2/7，以三聚氰胺为前驱体的复合涂层耐蚀性优于基体。

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