电火花沉积Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层的组织及性能研究

目的提高H13模具钢的表面耐磨性,探索金属陶瓷涂层的应用。方法分别用Ti(C,N)基金属陶瓷棒和纯镍棒作为电极,氩气为保护气体,在H13钢表面电火花沉积制备Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层。使用X射线衍射仪对涂层的相组成进行了分析,并用扫描电子显微镜及能谱仪观察涂层的微观结构和元素分布情况,采用显微硬度计和CSM球盘式摩擦计对涂层的显微硬度和不同载荷下的耐磨性进行测试。结果涂层表面为单脉冲沉积斑点堆积而成的溅射状形貌,Fe和Ti元素整体上呈现出分区富集的特征,强化层主要物相包括TiC(0.7)N(0.3)、Ni(17)W3、Ni-Cr-Co-Mo和Fe3Ni2。涂层截面组织均匀,缺陷较少,厚度约为31μm,Fe、Ti和Ni元素均在界面处发生扩散,形成了良好的冶金结合,过渡层与基体相互混合,呈现出机械式的咬合结构。涂层的显微硬度实测最高值达1420HV,约为基体的5.4倍。涂层具有比基体更低的摩擦系数,且30 min内的磨损质量损失仅为基体的1/2,涂层磨损机理主要为粘着磨损和轻微的磨粒磨损。结论在H13钢表面电火花沉积制备的Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层可提高其表面的硬度、耐磨性,且具有一定减摩性,可以起到延长模具寿命的作用。     

钛合金表面反应电火花沉积Ti(CN)涂层研究

利用自行研制的反应电火花沉积系统,以石墨为电极,以工业氮气为保护气,在TCA钛合金基体上原位反应合成了Ti(CN)金属基陶瓷复合涂层.利用SEM分析了涂层单沉积点表面形貌和组织结构,利用X射线仪测定了涂层的物相组成,利用XPS分析了涂层表面元素组成,利用SEM和AES分析了涂层断面形貌、结合状态和元素组成;结果表明,涂层表面单沉积点形貌呈不规则的"溅射状",涂层主要由呈球块状晶和枝晶的TiC0.51N0.12相、Ti080V0.20 相和C相组成且晶块平均尺寸为626nm,涂层与基体的结合致密,呈冶金结合.     

物理气相沉积(Ti,Al)N涂层刀具的切削性能

涂层已成为提高刀具切削性能的重要手段。对上海工具厂镀膜机制备的（Ti,Al）N涂层性能分析发现,其表面硬度达到32GPa,高于TiN的24GPa;同时,涂层表面生长良好。在试验室进行的干式切削试验表明,（Ti,Al）N涂层切削过程中磨损小于TiN涂层,切削寿命高于TN涂层;（Ti,Al）N涂层适合高速切削,分析了（Ti,Al）N涂层适合高速切削的主要原因。     

纳米Ti(C,N)增强Ti(C,N)基金属陶瓷的研究

采用纳米Ti(C，N)粉末制备Ti(C，N)基金属陶瓷，研究了纳米粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明，粉末冶金过程中，纳米Ti(C，N)粉末易于在粘结相中扩散与溶解及沿晶界分布，降低了硬质相在粘结相中的溶解度，抑制了晶粒长大，提高了材料的红硬性能。抗弯强度与晶粒尺寸满足于Hall-Perch公式，5wt％～l0wt％的纳米粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度和切削性能得到较大的提高，但硬度变化不大。切削磨损主要表现为磨粒磨损和轻微的粘着磨损，磨痕细小均匀。     

反应溅射Ti(0，N)涂层的微结构与力学性能

采用反应磁控溅射方法在Ar、N2和O2混合气氛中制备了一系列Ti(O,N)涂层,并采用EDS、XRD、SEM、AFM和微力学探针研究了氧分压对涂层的化学成分、微结构和力学性能的影响.结果表明:随混合气氛中氧分压的提高,涂层中的氧含量逐步增加,氮含量相应减少,但涂层始终保持与TiN相同的NaCl结构.少量氧的加入,可以改善涂层的结晶状态,涂层的硬度也相应升高,明显高于未含氧的TiN涂层的硬度.氧含量为8.0%(原子数分数)时,涂层硬度达到最大值26.2 GPa.进一步增加氧含量,涂层的硬度基本保持不变.     

化学气相沉积不同碳氮比MT-Ti(C,N)涂层

采用化学气相沉积法在硬质合金基体上沉积具有不同碳氮比的MT-Ti（C,N）涂层,通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能谱仪（EDS）和纳米硬度仪、划痕仪分别对其微观组织和机械性能进行分析。研究结果表明:碳源对MT-Ti（C,N）涂层中的碳氮比起着至关重要的作用;其中,在现有单一的乙腈（CH₃CN）中温化学涂层反应体系中,引入C₂H₄可以有效提高MT-Ti（C,N）涂层的碳氮比,且随着碳氮比的增大,MT-Ti（C,N）涂层的晶粒得到明显细化。与此相对应的纳米硬度、弹性模量和结合力也随C/N比发生显著变化。      

液相脉冲放电制备Ti(C,N)多元陶瓷涂层

TiN类涂层目前主要采用物理气相沉积方法进行制备,本文提出了一种TiN类涂层的低成本制备方法,该方法将Ti块体材料作为工具电极置入乙醇胺液相介质中,通过液相脉冲放电涂层技术在45钢表面制备出Ti(C,N)陶瓷多元涂层。对涂层组织形貌、物相结构等进行了分析。结果表明,所制备的陶瓷涂层厚度约为20μm,主要物相为Ti(C0.3,N0.7);涂层表面显微硬度可达1 780HV以上,涂层表面有不规则的放射状突起边缘。透射电镜分析结果表明,涂层晶粒尺寸均匀细小,选区花样谱图揭示了涂层等轴晶粒具有晶体学上的随机取向,晶体结构为面心立方。     

TiN/Ti(C,N)涂层的显微组织与力学性能

采用磁控溅射在TNMG120408型号的硬质合金刀片上沉积了TiN/Ti(C,N)单层与多层涂层,通过XRD、SEM、纳米压痕、划痕仪与冲击测试等方法,比较分析了TiN/Ti(C,N)涂层的显微组织与力学性能。结果表明,TiN单层涂层的晶粒形貌为典型的喇叭口结构,Ti(C,N)单层涂层为平直的柱状晶结构;而TiN/Ti(C,N)多层涂层为柱状晶结构,形成了TiN、Ti(C,N)交替排列的结构。TiN与Ti(C,N)单层涂层均呈(220)生长织构,而TiN/Ti(C,N)多层涂层呈(111)生长织构。Ti(C,N)单层涂层表现出较好的硬度,而TiN/Ti(C,N)多层涂层则表现出与基体更好的结合力。     

Ti(C,N)_w/Ti(C,N)基金属陶瓷的组织与力学性能研究

采用Ti(C,N)晶须和颗粒复合粉末(Ti(C,N)w+Ti(C,N)p)制备Ti(C,N)w/Ti(C,N)基金属陶瓷。研究了复合粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明,Ti(C,N)w的加入,金属陶瓷的各项力学性能都得到了提高。组织表现为环形相结构特征,与Ti(C,N)基金属陶瓷相比,双层环形相结构所占比例增大,且尺寸加厚。烧结组织中Ti(C,N)w的长径比大于临界长径比,在强化金属陶瓷方面起着重要的作用。环形相使Ti(C,N)w与基体界面结合紧密,增韧机制主要表现为裂纹桥联和裂纹偏转,拔出效应不明显。     

Ti(C,N)基金属陶瓷高温氧化行为的研究进展

Ti(C,N)基金属陶瓷因具有优异的高温硬度和耐磨性、低摩擦系数、良好的热稳定性和化学稳定性,广泛应用在高温耐磨部件、高温涂层、高速切削刀具等领域,这些恶劣的工况环境下材料易发生高温氧化,造成零件的失效。本文综述了国内外关于成分的调控及优化对金属陶瓷抗高温氧化的影响,总结了金属陶瓷的高温氧化机理,进一步对金属陶瓷材料的高温氧化膜的形成过程和氧化膜抑制持续氧化的作用进行分析,并展望了金属陶瓷高温氧化的研究发展方向:一是利用分子动力学或向量场理论对氧化过程进行分析;二是Ti(C,N)基金属陶瓷在高温磨损环境中的氧化与磨损协同作用。     

Ti(C,N)-NiCr金属陶瓷的高温氧化行为研究

通过增重法研究了Ti(C,N)-NiCr金属陶瓷在空气中1000℃和1200℃下的氧化行为.结果表明,氧化速率随温度升高、气孔率增大而增大;氧化层的主要成分为TiO2.最后提出了一些提高材料抗氧化性的方法.     

Ti(C,N)固溶体的N/C原子比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织及力学性能的影响

本文以不同N/C原子比的Ti(C,N)固溶体为硬质相,通过真空烧结制备了Ti(C,N)基金属陶瓷。用三点弯曲法、洛氏硬度计、压痕法分别测得试样的抗弯强度、硬度、断裂韧性,并通过光学金相显微镜、XRD、SEM、EDS等手段研究了Ti(C,N)固溶体的N/C原子比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织的影响规律。结果表明:在一定范围内随着N/C原子比的增大,Ti(C,N)固溶体在液相中溶解度下降,环形相的析出受到抑制,使得金属陶瓷的硬质相芯部逐渐细化且分散均匀,环形相厚度减薄。但Ti(C,N)固溶体的N/C原子比为6∶4及以上时,硬质相与液相之间的润湿性较差,使得金属陶瓷孔隙度增加,显微组织中开始出现亮白色的晶粒。随N/C原子比的增大,金属陶瓷的抗弯强度和硬度先增大后降低,断裂韧性逐渐降低。当Ti(C,N)固溶体的N/C原子比为5∶5时,金属陶瓷的综合力学性能最佳,其抗弯强度为2 429 MPa,硬度为92.2 HRA,断裂韧性为8.44 MPa·m~(1/2)。     

粘结剂成分对Ti(C,N)基金属陶瓷腐蚀行为的影响

研究了含38 wt% Ni或Ni–20Cr粘结剂的2种Ti(C,N)基金属陶瓷在0.2 M H2SO4和0.2 M NaOH溶液中的室温腐蚀行为。在0.2 MH2SO4溶液中,2种金属陶瓷的腐蚀行为和耐蚀性存在一些明显的差异：与以Ni作粘结剂的金属陶瓷不同,以Ni–20Cr作粘结剂的金属陶瓷浸泡过程中表面自发生成NiO、Ni(OH)x(SO4)y、Cr2O3和Cr(OH)3,致使粘结相溶解十分缓慢;动电位极化过程中不发生钝化,伪钝化后电流密度增加较快。在0.2 M NaOH溶液中,2种金属陶瓷的腐蚀行为和耐蚀性无明显差异：浸泡过程中陶瓷晶粒溶解十分缓慢,同时生成NiOOH和Cr6+化合物;动电位极化过程中不发生钝化,但发生伪钝化。     

Ti(C,N)金属陶瓷中的添加剂

本文就添加剂对Ti（C，N）金属陶瓷机械性能的影响及其在Ti（C，N）金属陶瓷中的分布作了详细的阐述，并就Ti（C，N）金属陶瓷作模具材料的可能性进行了讨论。     

TiN/TiAlN涂层Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的切削性能

采用多弧离子镀技术在Ti(C,N)基金属陶瓷基体上沉积了TiN/TiAlN多层涂层,通过扫描电镜、涂层附着力自动划痕仪对其显微组织形貌和涂层的结合强度进行了分析,并对涂层和未涂层金属陶瓷铣刀以及硬质合金铣刀进行了切削0Cr18Ni9钢的试验.结果表明,多弧离子镀TiN/TiAlN涂层均匀,TiN/TiAlN多层涂层与金属陶瓷之间的结合强度高达57.52 N.TiN/TiAlN涂层金属陶瓷的切削性能明显优于未涂层金属陶瓷和硬质合会YW2,其平均寿命为硬质合金刀具的2倍.TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具的失效形式主要是磨损和崩刃,没有涂层剥落现象,TiN/TiAlN涂层与基体的结合强度很好.未涂层金属陶瓷刀具的磨损形式主要是磨损和粘着.     

钛合金表面反应电火花沉积TiN/Ti复合涂层

利用自制的电火花沉积充气密闭式保护装置和DZ-1400型电火花沉积/堆焊机,以工业纯钛TA2为电极,以工业纯氮为保护气和反应气,在TC4钛合金表面上反应电火花沉积制备了TiN/Ti复合涂层.利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子仪(XPS)分析了涂层的组织、物相和元素组成,利用显微硬度计测定了涂层的显微硬度,利用自制磨损试验装置对比涂层与淬火W18Cr4V高速钢的磨损性能.结果表明,涂层与基体形成良好的冶金结合,涂层主要由钛和反应合成的TiN组成,涂层的平均显微硬度可达1 388 HV0.1,是基体硬度的6倍以上,涂层具有较好的耐磨性.

Abstract：

TiN/Ti composite coating was deposited on TC4 titanium alloy substrate with the self-made special gas-filled-closed electric-spark deposition device and electric-spark deposition machine modeled DZ-1400, the industry pure titanium (TA2) was used as electrode and the industry pure nitrogen gas as shielding and reacting atmosphere. The microstructures, interfacial behavior, phase and element in the coatings were investigated by scanning electronic microscope, X-ray diffraction and X-ray photo spectrum. The microhardness of coatings was tested and its wear-resistance property was tested by the self-made abrasion machine and compared with Wi8Cr4V rapid steel treated by quenching. The results show that an excellent bonding between the coating and substrate is ensured by the strong metallurgical interface. The coatings are mainly composed of Ti and synthesized TiN. The highest microhardness of coating reaches to 1 388 HV0. 1, which is six times higher than that of the substrates. Wear resistance of the coatings is excellent.     

Ti17合金表面电火花沉积硅青铜涂层

用硅青铜(QSi3-1)电极,分别在硅油和氩气中对Ti17钛合金进行了电火花表面强化.利用扫描电镜、X射线衍射仪、辉光放电光谱仪、显微硬度计和MM200磨损试验机等对强化层的成分、组织、硬度和耐磨性进行了研究.结果表明,用QSi3-1电极在氩气和硅油中于30V、1500μF的电参数下.分别可获得显微硬度高达HV550和HV494、厚度约10μm和5μm的强化层;前者所得强化层以Ci3Cu、Cu为主,同时还有少量的TiSi2和Ti;后者所得强化层由Ti3Cu和Cu相及少量TiO、Ti2N、Ti3SiC2相组成;在试样转速为200r/min,干圆环摩擦磨损条件下、在氩气和硅油中强化试样的磨损量仅为钛合金基体的1/56和1/24.钛合金基体主要以氧化磨损和粘着磨损为主;表面改性层磨损的原因则与强化层脱落造成磨粒磨损有关.     

Ti(C,N)粉末的微晶化

行星球磨制备微粉的工艺方法,可有效地使Ti(C,N)粉末细化,粉末的表面活性增强,并伴随明显的微晶化,有利于其后烧结过程的进行,并且其晶格常数变化不大。     

Ti(C,N)基金属陶瓷的耐腐蚀性

研究了Ti（C,N）基金属陶瓷在5％HNO3、50％NaOH溶液中的耐腐蚀性能,对比了金属陶瓷与YG8硬质合金在同种腐蚀介质中的耐蚀性优劣,并对金属陶瓷在5％HNO3溶液中的腐蚀形貌进行观察。试验结果表明：金属陶瓷有良好的耐酸碱腐蚀性能,其耐蚀性与粘结相的含量密切相关,粘结相的含量愈低,耐蚀性愈好;金属陶瓷的耐蚀性明显优于YG8硬质合金;金属陶瓷的腐蚀机理为钝化膜保护的电化学腐蚀。     

(Ti,W,Ta)(C,N)_p/Ti(C,N)基金属陶瓷的组织与性能

采用自制的多元复式碳氮化物陶瓷粉末 ((Ti,W,Ta) (C,N) p)制备 (Ti,W,Ta) (C,N) p/Ti(C,N)基金属陶瓷。研究了 (Ti,W,Ta) (C,N) p 粉末的组织结构特征及其加入对金属陶瓷的组织及性能的影响。结果表明 ,多元复式碳氮化物粉末的晶格常数与元素的固溶度有很好的对应关系 ,调整粉末中元素的固溶度可控制粉末的晶格常数 ,进而控制材料的性能。 Ti(C,N)基金属陶瓷中 (Ti,W,Ta) (C,N) p 粉末的加入 ,有利于重金属元素 W和 Ta向粘结相中扩散 ,从而降低了硬质相在粘结相中的溶解度 ,阻碍了晶粒长大。(Ti,W,Ta) (C,N) p/Ti(C,N)基金属陶瓷各项性能指标优于 Ti(C,N)基金属陶瓷和国外对应的金属陶瓷牌号 CT5 2 5的产品。强化机制主要表现为细晶强化与固溶强化。