反应等离子喷涂制备TiCN基多尺度复合涂层及其性能研究

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1、分类号：TG174.44密级：UDC：620编号：201431804002河北工业大学硕士学位论文反应等离子喷涂制备TiCN基多尺度复合涂层及其性能研究论文作者：陈凯学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：材料工程指导教师：何继宁职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金（No.51372067）；河北省重点研发计划（No.16271102D）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringFABRICATIO

2、NANDPROPERTIESOFREACTIVEPLASMASPRAYEDTICNBASEDMUTI-SCALECOMPOSITECOATINGSbyChenKaiSupervisor:Prof.HeJi-ningMay2017ThisworkwasfinanciallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51372067)andtheKeyResearchandDevelopmentPlanofHebeiProvince,China(No.16271102D)摘要本课

3、题将微米级Ti粉和石墨通过喷雾造粒得到Ti、C复合粉，往复合粉末中添加Cr、Mo等元素，使用反应等离子喷涂方法，通入反应气体N2，通过调控喷涂工艺参数得到微米-纳米多尺度TiCN复合涂层，降低纳米TiCN涂层的应力，解决纳米涂层硬度、韧性的倒置问题，得到具有良好强韧配合的性能优良的涂层，满足了在高载荷条件下抗磨损性能。主要研究Cr、Mo的添加对TiCN涂层组织结构及性能（硬度、韧性、结合强度、抗摩擦磨损性能）的影响。添加Cr元素后，经反应等离子喷涂所得到复合涂层的主相为TiC0.7N0.3，次相为Cr0.5Ti0.5N、Cr单质、Ti3O等，反应

4、较充分，没有未反应的Ti。添加Mo元素后，得到TiCN-Mo复合涂层的主要物相为TiC0.7N0.3，次相为TiC0.2N0.8、单质Mo、MoC2等。另外，通过XPS分析，也证实了涂层中Ti-C、Ti-N、C-N、Cr-Ti、Cr-Cr、Mo-C、Mo-Mo等化合键的存在。Cr、Mo组织在复合涂层均与TiCN陶瓷相交互堆叠分布，两种复合涂层致密度明显高于TiCN涂层。对于TiCN-Cr复合涂层，随着Cr添加量的增加，涂层的孔隙率先减少后增加，显微硬度先增加后减少，Cr添加量为10wt.%时，孔隙率较低（3.57%），20wt.%时涂层的显微硬度

5、达到1309HV0.2。而添加Mo元素后，与原TiCN涂层相比，致密度也有一定的提高，随着Mo含量的增加，涂层的显微硬度也是先增加后减少，Mo添加量为20wt.%时，复合涂层的显微硬度较高，达到1460.7HV0.2。从TiCN-Cr复合涂层和TiCN涂层的压痕形貌及裂纹扩展能计算来看，TiCN-20wt.%Cr涂层的裂纹扩展能为13.7J/m2，比纯TiCN（3.3J/m2）高出3倍多，添加Cr元素后涂层的韧性有所改善。添加Cr、Mo后，涂层的显微硬度仍然较高，满足一般的作业条件要求所需。经过拉伸试验测得TiCN涂层的结合强度为21.25MPa

6、，而添加Cr、Mo元素后，涂层的结合强度明显增加，当Cr添加量为20wt.%时，涂层的结合强度达到最高（24.67MPa），Mo添加量为20wt.%时，涂层的结合强度高达29.84MPa。从拉伸断口可以观察到，断裂均发生在涂层内部，即所测得的临界结合强度均为涂层的内聚结合强度，而涂层与基体的结合强度均高于该值。TiCN-Cr涂层的耐磨损性能比TiCN涂层要好，而TiCN-Mo复合涂层的耐磨性不及TiCN涂层。在相同试验条件下虽然TiCN涂层有更低的摩擦系数，但是TiCN-Cr复合涂层的磨损量更小。通过分析磨痕形貌图发现，复合涂层的磨损机理主要是磨

7、粒磨损和黏着磨损，磨损过程中伴随高温氧化。关键词：反应等离子喷涂碳氮化钛基复合涂层多尺度耐磨性IABSTRACTInthispaper,Ti-graphitecompositepowderswereobtainedbyspraydriedofmicron-sizedTipowdersandgraphite.CrandMopowdersweremixedwithTi-graphitepowdersforspraying.Themulti-scaleTiCNbasedcompositecoatings(TiCN-CrandTiCN-Mo)werefa

8、bricatedbyusingreactionplasmasprayingmethodunderthereactiongasconsit