铜基火焰喷涂tio2cu梯度涂层的制备和性能研究

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1、铜基火焰喷涂TiO2/Cu梯度涂层的制备与性能研究郜少波摘要：本文利用氧乙炔火焰喷涂工艺，在纯铜表面反应形成高硬度、高耐磨性的TiO2/Cu梯度复合涂层。试验结果表明，火焰喷涂反应生成TiO2/Cu梯度涂层为典型波浪状多层喷涂组织，涂层组织呈梯度连续变化，梯度层间结合情况良好，无明显界面；涂层与基体有明显的宏观层间界面，结合情况较好。火焰喷涂反应生成的TiO2/Cu梯度涂层中存在气孔、夹杂等缺陷。在干摩擦条件下，反应生成TiO2/Cu梯度涂层的表面层耐磨性明显高于淬火GCr15钢，也高于各种成份的TiO2强化的

2、铜基复合涂层。关键词：铜基，火焰喷涂，TiO2/Cu，梯度涂层，性能引言梯度功能材料(FunctionalGradientMaterials，简称FGM)是指材料的组成和结构从材料的某一方位(1维、2维或者3维)向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料[1~4]。本文采用的反应生成陶瓷/金属涂层是新兴起的一种工艺方法，通过各元素或是组元间合成新的化合物的方法。1铜基TiO2/Cu梯度涂层的制备1.1制备方法目前，FGM的制备方法主要分为化学法与物理法两大类，本文采用粉末火焰喷

3、涂方法。1.2涂层设计本文选用工业钛粉、铜粉及石墨粉所组成的复合粉，由于钛粉在高温下，极易与氧、碳进行反应生成钛的氧化物和碳化物[30]，因此可以利用火焰喷涂反应生成TiC-TiO2/Cu复合材料。本文梯度涂层(试样A)设计的涂层总层数为5层，每层的厚度为0.2mm左右，梯度层的总厚度为1mm，梯度成分分布指数=1.0，梯度层中不同粉末的含量如表1所示。为了对比研究还设计了其他类型的四种涂层。涂层粉末配比方案如表1所示。每种试样制备4块。表1对比试验涂层的喷涂粉成分及涂层厚度层数第1层第2层第3层第4层第5层成

4、分配比(Ti+C∶Cu)试样A20∶80(12∶88)40∶60(27∶73)60∶40(45∶55)80∶20(69∶31)100涂层厚度mm试样B—0.2——0.2试样C—0.20.2——试样D————0.2试样E——0.2——试样F0.2————试样G————0.5试样H————1.0试样I—0.5——0.5注：表中成分配比中的数值为体积分数之比，括号内数值为质量分数之比1.3涂层制备火焰喷涂工艺过程包括基体预处理、喷涂粉末的选用、喷涂工艺参数的选用、涂层后处理等[57~59]。1.3.1基体预处理本文选

5、用基体材料为25×25×10mm3的轧制紫铜板。首先对试样经行打磨、除锈、清洗、烘干等预处理。喷涂前，经行预热并涂敷粘结剂。本文采用镍铝复合粉末作为粘结剂。1.3.2喷涂粉末的选用本文中混合粉末的粒度为300目，需经磨化、均匀化处理20分钟，烘干炉中200℃干燥2小时。1.3.3喷涂工艺参数的选用本文的用喷枪喷涂，中性火焰加热，参数按表2进行。喷完后，空冷试样。表2氧乙炔火焰喷涂工艺参数氧气压力MPa乙炔压力MPa喷涂距离mm喷涂角度(º)预热温度℃喷枪移动速度mm/s0.40.07120～15080～9090

6、070～901.3.4喷涂结果试样制备完成后，经检查各试样G、H、I的涂层剥落，其它试样合格可进行后续实验。2铜基TiO2/Cu梯度涂层的显微组织分析本文多种手段分析了TiO2/Cu梯度涂层的表面形貌、截面形貌及主要元素成分，并经行了梯度涂层横截面的显微硬度的测量。2.1实验方法将喷涂好的试样(试样A、B、D)沿涂层的横截面切开，经清洗、研磨、抛光、腐蚀抛光后烘干后备用。本文使用显微硬度计，压头为正棱锥金刚石压头。试样每一个待测区域测量等距三点。本文中用光学显微镜(OM)观察涂层的横截面形貌；用扫描电镜(SEM

7、)观察涂层的表面形貌及横截面形貌，并用能谱仪进行分析横截面成分；用X-射线衍射仪(XRD)对涂层的表面(第五层)及第一层进行连续扫描，并计算涂层中晶粒的大小及各相的相对含量。2.2实验结果及分析2.2.1涂层的形貌2.2.1.1涂层的OM分析图1所示为试样A、B、D的涂层的截面在OM下的形貌(×100倍)。图5a)所示为五层TiO2/Cu梯度涂层的截面形貌。涂层为典型的波浪状多层喷涂组织，整体结构良好，缺陷少。图5b)所示为两层TiO2/Cu梯度涂层的截面形貌。涂层之间组织变化较明显，但没有确定界面缺陷较多。图

8、5c)所示为单层TiO2陶瓷涂层的截面形貌。涂层的组织缺陷多。a）试样Ab)试样Bc)试样D图1涂层的截面显微组织照片(×100)2.2.1.2涂层的SEM分析图2所示为火焰喷涂反应生成TiO2/Cu梯度涂层的表面SEM形貌，图a)为低倍，图b)为高倍。可以看出反应生成TiO2涂层表面是由大小不一的球形颗粒组织形成。由于大颗粒往往反应得不够充分，颗粒内部有未反应得粉末，可能会造成夹生，