双层辉光等离子表面冶金技术

在离子渗氮技术的基础上,发展了双层辉光离子渗金属技术.该技术已成功地将固态合金元素如Ni, Cr, Mo, W, Ti, Al, Nb, Zr以及它们的组合渗入金属材料表面,形成一系列高硬度、耐磨、抗腐蚀合金层.例如在钢铁材料表面形成高速钢和镍基合金;在钛合金表面形成阻燃及耐磨合金等.该技术已获美、英、加等多国专利.本文简要介绍双辉技术的基本原理、主要工艺参数、主要研究结果和应用等.     

C/C复合材料表面铱涂层的研究

采用双辉等离子技术分别在抛光、氧化和高温热处理的C/C复合材料表面制备贵金属铱涂层。C/C复合材料和铱涂层的表面微观结构通过扫描电镜观测。结果表明:在抛光的C/C复合材料表面获得沉积较好、覆盖良好的铱涂层,但铱涂层表面出现微裂纹。微裂纹出现是由于较高沉积温度下涂层与基体之间的热膨胀系数不匹配导致的。氧化和高温热处理的C/C复合材料基体表面出现较大间隙和缺陷,铱涂层没能完全覆盖其表面,需多次沉积填满这些缺陷。     

C/C复合材料表面CoNiCrAlTaHfY/Co复合涂层的组织

在H2+Ar等离子刻蚀后的C/C复合材料表面进行等离子渗Co和CoNiCrAlTaHfY共渗复合处理,形成CoNiCrAlTaHfY/Co多元复合涂层,通过与刻蚀前后制备的CoNiCrAlTaHfY涂层对比分析,研究了刻蚀与Co过渡层对CoNiCrAlTaHfY/Co复合涂层组织、成分及结合强度的影响。结果表明,刻蚀前、后形成的CoNiCrAlTaHfY涂层厚度分别为10μm和14μm。刻蚀处理后,原棒状炭纤维与紧密包裹其的碳基体分别被刻蚀成针状和薄壁管,在炭纤维与基体碳之间形成孔隙,比表面积也相应增大,促进元素形核和扩散,使涂层与基体结合强度增加。在刻蚀表面与CoNiCrAlTaHfY多元涂层间增加Co过渡层,形成的CoNiCrAlTaHfY/Co复合涂层厚约30μm,复合涂层成分连续,组织均匀致密,由CrCoTa,Al2Ta,Cr2Ta,Alx Cry,Al Co2Ta,Co,AlxNiy组成,Co过渡层与CoCrAlTaHfYNi表层分别以三维岛状和柱状生长。CoNiCrAlTaHfY表层/Co过渡层/基体间的互扩散导致涂层与基体间的结合力明显提高。     

C/C复合材料大气等离子喷涂mullite/ZrB2-MoSi2涂层抗烧蚀性能

采用大气等离子喷涂技术(APS)在C/C复合材料表面制备了mullite/ZrB₂-MoSi₂双层抗烧蚀涂层。借助XRD、SEM、EDS等分析手段对涂层的组织结构进行研究;基于氧丙烯焰烧蚀试验考察ZrB₂-MoSi₂/mullite复合涂层对C/C复合材料高温耐烧蚀性能的影响。结果表明,在1700 °C和1800 °C的氧丙烯焰下烧蚀60 s,ZrB₂-MoSi₂/mullite涂层试样的质量烧蚀率分别为3.49×10_-3 g/s与3.77×10_-3 g/s。其与单层ZrB₂-MoSi₂涂层试样相比,ZrB₂-MoSi₂/mullite涂层试样展现了出色的抗烧蚀性能。烧蚀过程中形成的硅酸盐玻璃可以作为热障层而减少氧气的进一步渗透,并且还具有自我封填缺陷的能力,使ZrB₂-MoSi₂/mullite涂层表现较好的抗烧蚀性。     

等离子喷涂制备C/C复合材料SiC涂层的驻点烧蚀性能

目的在C/C复合材料表面制备SiC涂层,提高C/C复合材料抗烧蚀性能。方法采用真空等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备纯Si涂层,在惰性气氛保护下对涂层高温热处理,纯Si涂层与C元素在高温下反应,原位生成SiC涂层。利用电弧加热器在不同烧蚀温度下,分别考核涂层的驻点烧蚀性能,并采用OM、SEM、EDS和XRD等对烧蚀前后的微观形貌和物相成分进行分析。结果在C/C复合材料表面制备了致密的SiC涂层,涂层中没有明显的裂纹存在,并在涂层下方产生较深的渗透区域,深度超过涂层厚度。制备的SiC涂层在1400℃下烧蚀50 s,涂层完整,具有良好的驻点烧蚀性能;在1600℃和1650℃下烧蚀50 s,涂层部分剥落,C/C复合材料基体产生烧蚀。结论 SiC涂层在高温下氧化成Si O2玻璃态膜,并覆盖在C/C复合材料表面,对基体具有良好的保护作用。随着烧蚀温度的提高,在超音速气流的冲刷下,由于热膨胀系数不匹配和SiC主动氧化的原因,涂层在烧蚀面边缘出现剥落,且剥落现象越来越严重,涂层失去对C/C基体的保护作用,烧蚀性能下降。     

双层辉光等离子制备TiN渗镀层的耐蚀性能

利用双层辉光等离子表面合金化技术,在Q235钢表面直接合成TiN渗镀层,该渗镀层由TiN颗粒均匀分布的扩散层及表面TiN沉积层组成。将TiN渗镀层与Q235钢基体和1Cr18Ni9Ti不锈钢在4%的NaOH溶液、l mol/L H2SO4溶液和3.5%NaCl溶液中分别进行电化学腐蚀对比试验。结果表明:在4%的NaOH溶液中,TiN渗镀层的耐蚀性能比Q235钢提高了26.8倍,与1Cr18Ni9Ti不锈钢相当;在l mol/L H2 S04溶液中,TiN渗镀层耐腐蚀性能比Q235钢提高了10.5倍,比1Crl8Ni9Ti不锈钢提高了1.65倍;在3.5%的NaCl溶液中,TiN渗镀层耐腐蚀性能比Q235钢提高了10.3倍,但比1Crl8Ni9Ti不锈钢稍差。TiN渗镀层耐酸碱性溶液腐蚀性能要比耐盐溶液腐蚀性能强。     

W-SiC-C/C复合材料制备及等离子烧蚀性能

目的提高C/C复合材料在超高温下的抗烧蚀性能。方法采用化学气相沉积法,在C/C复合材料表面制备SiC过渡层,然后以惰性气体保护等离子喷涂工艺在带有SiC过渡层的C/C材料表面制备W涂层,研究所制备的W-SiC-C/C复合材料的微观形貌与结构特征。以200 kW超大功率等离子焰流,考核W-SiC-C/C材料的抗烧蚀性能,并与无涂层防护的C/C材料进行对比分析。结果W涂层主要为层状的柱状晶结构。W涂层与SiC过渡层、过渡层与基体界面呈镶嵌结构,结合良好。SiC过渡层阻止了W、C元素相互迁移与反应。在驻点压力为4.5 MPa、温度约5000 K、热流密度为36 MW/m²的烧蚀条件下,当烧蚀时间小于10 s时,涂层对C/C材料起到了较好的保护作用,W涂层发生氧化烧蚀,基体未发现烧蚀,平均线烧蚀率为0.0523 mm/s;当烧蚀时间超过15 s后,涂层防护作用基本失效,基体C/C材料发生烧蚀现象。结论以W涂层、SiC过渡层为防护的C/C复合材料,能够适用于短时间超高温的烧蚀环境,如固体火箭发动机等。W涂层的熔融吸热、氧化耗氧以及SiC过渡层的氧化熔融缓解涂层热应力和氧扩散阻碍的联合作用,提高了C/C材料的抗烧蚀性能。     

C/SiC复合材料用莫来石/硅酸钇双层涂层的抗氧化性能研究

针对C/SiC复合材料的防氧化要求,在材料表面通过等离子喷涂法制备了莫来石/硅酸钇的双层涂层,对涂层的形貌、组成和结构及其与基底的结合强度进行了表征,开展了1500℃、1h静态空气氧化实验,对抗氧化涂层的结构演变进行了分析,并对C/SiC复合材料氧化实验前后的质量和力学性能变化进行了研究。结果表明,莫来石/硅酸钇双层涂层抗氧化作用较好,涂层C/SiC复合材料的强度保留率达95.3%。     

双层辉光等离子渗镀铬的研究

利用双层辉光等离子渗金属技术在低碳钢表面进行了不同温度的渗镀铬处理,对用不同工艺获得的渗铬层的相组成、含铬量、表面硬度进行了测试分析。结果表明,通过控制工艺参数可得到沉积层或扩散层或由沉积层与扩散层组成的渗铬层,表面层均由铁及铁铬固溶体组成,表面含铬量最高可达39.49%;与基体相比,渗铬层表面硬度提高不大,固溶强化效果不明显。     

石墨和C/C复合材料表面ZrB2-SiC陶瓷涂层的研究进展

C/C复合材料具有优异的高温力学性能,是航空航天领域最具发展前景的结构材料之一,但在高温含氧环境中的氧化问题严重地限制了其实际应用。涂层技术是提升基体抗氧化能力的有效手段,因ZrB_2-SiC陶瓷涂层具有优异的抗氧化、抗烧蚀、抗热震等性能,非常适合作为C/C复合材料的高温防护涂层。首先,介绍了ZrB_2-SiC陶瓷涂层在氧化和烧蚀过程中组织结构的演变规律,阐明了该涂层的高温防护机理;然后,综述了该涂层的主要制备方法(包埋法、CVD、等离子喷涂)及每种方法的优点与不足,并对不同方法所制备涂层的抗氧化性和抗烧蚀性进行了比较;之后,针对该涂层研究和应用中存在的问题,如涂层致密性差、元素分布不均匀、应用温度范围窄、与基体热匹配性差等,从粉体改性和掺杂改性两方面总结了该涂层的改性研究现状,重点阐述了对ZrB_2-SiC粉末进行喷雾造粒和感应等离子球化处理对于提升等离子喷涂涂层性能的重要意义;最后,从涂层制备、涂层结构设计、涂层改性、涂层性能测试等方面,指出了该涂层体系存在的主要问题和未来的发展方向。     

The Characterization of W-Cu Composite Coating Prepared by Double-Glow Discharge

In this paper,a W-Cu composite coating was prepared on the Cu substrate through the double-glow discharge technology using a pure W plate as a target.In here argon gas was input into the chamber as the discharge and sputtering gas.The crystal composition and microstructure of W-Cu composite coating were examined by x-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM).The compose in the cross section was detected by energy dispersive spectrometer(EDS),the distribution of elements along the penetration thickness was then obtained.Then the friction coefficient,the polarization electrochemical corrosion test and the microhardness of W-Cu composite coating was measured.The results indicated that a thick and no-delaminated W-Cu composite coating could be prepared on the Cu substrate by the double-glow plasma technology.     

钛表面辉光等离子无氢渗碳的研究

采用双层辉光离子渗碳技术在本底真空度为 5×10-3Pa 的高真空下,用 99.999%的高纯氩气进行无氢渗碳。在整个工艺过程中,没有涉及到氢元素,实现了无氢渗碳。试样材质为 TA1 工业纯钛,用透射电镜(TEM)观察渗层结构;X 射线衍射(XRD)测定渗层的相组成;用 M200 耐磨试验机测定渗碳试样的耐磨性能;渗碳试样的磨痕表面状态用 TR240型粗糙度仪测定。渗碳层厚度大于 100 μm。表面层生成的是 TiC,基体仍为 α-Ti。近表面渗层维氏硬度为 6 000 MPa,表面的硬度远大于此值。摩擦系数 0.11。纯钛经过无氢渗碳后,与未经过处理的纯钛相比磨损量仅为纯钛试样的1/1 592.5。研究得出:钛材经过双辉等离子无氢渗碳后,不仅提高了表面的硬度,同时降低了摩擦系数,因而使耐磨性能得到了大幅度的提高。     

CuCo2Be表面等离子喷涂制备Cr3C2-NiCr/NiAl复合涂层成形机理及界面扩散研究

选用等离子喷涂技术在CuCo2Be合金表面制备Cr3C2-NiCr/NiAl复合涂层。选用DTA、XRD、SEM、EDS等分析手段探讨Cr3C2-NiCr/NiAl复合涂层的形成机理及其组成涂层的化合物、物相的形成特点及规律。结果表明:DTA分析发现镍铝打底层在热喷涂过程中由于系放热反应,可能生成Ni2Al3、NiAl3、NiAl等物相;SEM、EDS分析发现复合涂层组织呈现明显的层状,在镍铝打底层中镍铝化合物为角状;XRD分析发现涂层物相在成形的不同阶段和时间内其生成的化合物类型、数量都呈现不同的变化。利用XRD、EDS分析界面处各相的生成及元素的分布、扩散情况,表明在界面处存在一定的元素扩散,界面为微冶金结合。     

Substrate Effect on Microstructure and Performance of LTHVOF Sprayed Copper Coatings

The performance of copper coatings fabricated on three substrates by LTHVOF spraying process was researched.XRD shows that substrate material has little effect on phase composition of coatings,and there is no oxide in the three coatings almost.These coatings are dense,and demonstrate little difference on the microstructure of the inner part of the coatings.However,microstructure of bonding area between coating and substrate shows big difference,copper coatings bonds compacter on soft substrate aluminum than hard substrate steel.Bonding strength of coatings sprayed on the soft substrate is higher than that on the hard substrate.Microstructure analysis of fracture surface shows that strong mechanical alloying phenomena when copper particles deposited on aluminum substrate.The average bonding strength of copper coatings on 1Cr18Ni9Ti,45#steel and LY12 is relatively 18.83,17.49 and 32.14 MPa.Substrates have strong effect on microstructure and bonding strength,but little on phase composition...     

超音速等离子喷涂工艺参数对AlSi20%Al/Ni涂层结合强度的影响

为使AlSi-20%Al/Ni超音速等离子喷涂涂层获得优良的结合性能,采用正交实验法研究了喷涂距离、喷涂电压、喷涂电流等喷涂工艺参数对结合强度的影响。利用X射线衍射、扫描电镜等手段对涂层的相组成和断口形貌进行分析,利用WDW-E100D微机控制式万能拉伸试验机对涂层结合强度进行测试。结果表明:涂层由AlSi和AlNi两相组成,影响AlSi-20%Al/Ni涂层结合强度工艺参数的主次顺序为喷涂距离、喷涂电压、喷涂电流,优化后的工艺参数为主气流量3.2m3/h,喷涂电流为380A,喷涂电压为130V,喷涂距离为90mm,在此参数下制备的涂层组织致密,其结合强度为65.5MPa。     

大气等离子喷涂TiO2涂层性能及厚涂层制备工艺

为改善TiO2溅射靶材主要依赖进口的局面,采用大气等离子喷涂技术在不锈钢SUS304平板基体及管状基体上制备了TiO2涂层。利用扫描电子显微镜对涂层形貌进行了观察,并对涂层与基体的结合强度、涂层孔隙率及抗热震性能分别进行了表征。结果表明：粉末熔化及铺展良好,截面可见典型层状结构。涂层与基体以机械结合为主,断裂基本发生在基体与粘结层界面处;涂层的孔隙率较低,同时具有良好的抗热震性能。厚涂层制备过程中,采用循环水冷却方法对不锈钢SUS304管状基体进行冷却,涂层沉积速度快且无开裂和脱落,涂层厚度可达8 mm。通过对冷却装置的改进及喷涂工艺的进一步优化,有望在大尺度管状基体上制备厚涂层以满足溅射蒸镀辊的需要。     

碳／碳复合材料表面羟基磷灰石生物涂层的研究进展

综述了C／C复合材料表面HAp涂层的制备工艺研究进展，指出涂层与基体的结合是目前该材料存在的主要问题。在总结前人解决问题的基础上，提出了采用水热电沉积解决此问题的新方案。最后，展望了C／C复合材料表面HAp生物涂层的研究重点和发展趋势。     

喷涂与激光重熔技术制备镍基纳米钴包碳化物复合涂层的研究

采用横流2．0kW CO2激光器，在45钢表面制备了表面较平整、较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC／Co复合涂层。通过SEM，EDAX，XRD，AFM及Nano Indenter XP分析了熔覆层的显微组织、成分、物相及结合强度。结果表明，涂层的显微组织为涂层中镶嵌着大量与Ni基合金结合良好的WC／C。颗粒，其中在原子力显微镜下可见相当数量的粒度≤100μm的纳米颗粒。涂层的结合强度比传统热喷涂涂层提高了2．1倍。涂层中纳米WC／Co的纳米效应在激光熔覆中起着重要作用。     

超音速火焰喷涂316L不锈钢涂层性能研究

采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)在高强钢表面制备了316L不锈钢涂层,利用扫描电镜、显微硬度仪、电化学测试系统等设备对涂层金相组织、硬度、结合性能和抗腐蚀性能等进行了测试,并分析了WC-CoCr中间层对316L不锈钢粉末涂层结合强度及涂层界面的影响。结果表明:超音速火焰喷涂316L不锈钢粉末颗粒在喷涂中变形充分,形成较致密的涂层,并具有超过400 HV0.1的显微硬度;涂层具有较高自腐蚀电位,耐蚀性优于高强钢;涂层结合强度随着涂层厚度的减小、基体硬度的增加而提高;WC-CoCr底层可改善涂层界面结合,从而改善316L不锈钢涂层的结合性能。