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TiB2-M金属陶瓷材料及其涂层制备技术研究进展

2020-06-12 来源:榕意旅游网
匦 fINSl6HT TiB2 金属陶瓷材料及其 涂层制备技术研究进展 ■文/祝弘滨 章潇慧 刘佰博 曹 金 中车工业研究院有限公司 一、=硼化钛(TiB2)及TiB2一M 与传统的氧化物陶瓷、碳化物陶 1.硬度高 TiB,的莫氏硬度大于9,室温下显 微硬度高达2 500~3 300kgf/mm ,仅 次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼,即 使在600 ̄C下仍可达NHv8OO…。 来,TiB,就被用于切NAl材料的主要 刀具材料 ’ 。而B.Basu等人也发现在 高温条件下TiB,与Fe金属接触时比 碳化硅(sic)、氮化硅(Si N )等陶瓷更 金属陶瓷材料研究现状 瓷及其复合材料相比,TiB,同时具有 强的钛一硼(Ti—B)离子键和硼一硼 (B—B)共价键结合,这种复杂的键型 结构决定了它具有如下一些独特的物 理化学性能。 不易发生粘着,表现出较好的摩擦学 性能 l。M.Berger等人 曾对比了纯 TiB,、TiN等PVD涂层与金属Al对磨 后的摩擦系数和磨损形貌,发现TiB 2.TiB:的化学稳定性好 由于其与铝(A1)金属在高温 接触时具有极好的稳定性,一直以 O.8 ——O.7 …硼化钛 氮化钛 一wu 氮化铝钛一 ……氮碳化钛 ………~...…… . t0 lI_一.’-’二I二。. ……一 \二二  .… / 二二 一 ,一、\. f、/\ ,\八 正常负载/N 正常负载/N 图1各种PVD涂层与Al对磨的摩擦曲线 m 圜Advanced Materials industry 涂层有更低的摩擦系数(图1)以及更 好的耐粘着磨损性能。 虽然TiB,具有众多优良的性 性较低。不过,在切削Al和铸铁材料 时,TiB 一Fe金属陶瓷材料仍然表现 出了极好的切削性能,这得益于TiB, 出色的抗蠕变性能。 J u ngling等人对TiB2-Fe基材 料力学性能的进一步提高做了系统研 与Ni的共晶点更低(1 225℃),这将更 利于金属陶瓷复合材料的致密化 】。 Einarsrud等人发现在TiB,中掺 入1%~5%的N僦可在l 500℃无压 烧结情况下得到相对致密的TiB,一N i 复合材料“ ;国内王皓等人也在 能,但是也由于TiB。高温韧性差,扩散 系数低,烧结性能差,使得纯TiB,材料 的制备及应用受到限制。一直以来,众 多学者对TiB 基复合烧结体进行了大 量研究,其中,由于金属粘结相可利 用其优异韧性和低熔点的特点来弥  ̄bTiB 韧性差,不易烧结等方面的缺 陷,因此,TiB2一M金属陶瓷复合材料 得到了更广泛的关注“ 。 但对TiB:来说,由于大多数金属 与其润湿性较差,因此,金属粘结相 的选择非常重要。表1示出了不同金 属材料与TiB:之间的润湿角,可以看 到,仅有铁(Fe)、镍(Ni)、钻(CO)与 TiB 具有较好的润湿性,因此,大多数 对TiB2-M金属陶瓷材料的研究主要 集中于以Fe、Ni、Co为粘结相的材料。 1990年,Yuridisky等对TiB2一Fe金 属陶瓷进行了研究,发现在氩(Ar)气 氛烧结条件下,获得完全致密材料所 需的温度大致在2000℃左右,他们同 时在制备的材料中发现存在少量硼化 铁相,认为是TiB 粉末中的杂质C或 B4C与Fe和TiB2发生反应产生的 】。之 后,Sigl等人采用热力学计算方法证 实了C或B C与TiB 一Fe材料之间的 反应,反应式为: TiB2+Fe+C—,TiC+Fe2B TiB2+Fe+B4C— TiC+Fe2B 上述反应完全进行的温度大致 在1 700℃~1 800℃之间 。Fe2B的 生成破坏了用于提高韧性的粘结相 组织。研究发现,尽管采用纯Fe和 Y(Fe—Cr—Ni)作为粘结相制备的 TiB2-M金属陶瓷材料硬度要高于 钴包碳化钨(wC—CO)金属陶瓷,但 由于Fe B脆性组织的产生,断裂韧 究,他们一方面采用高纯微细(2 m) 1 400~1 600℃,Ar气氛下烧结获得 的TiB:原料,另一方面在粘结相中 了95TiB2-5Ni复合材料,硬度高达90 加入Ni Cr、Ti等元素,发现Ti元素 ~92HRA[】 。和TiB2-Fe材料类似,在 的添加能够很好的抑 ̄1]Fe:B相的产 TiB2一Ni烧结过程中,杂质C、0会与 生,并且Ni、Cr也能起到很好的强化 TiB2-Ni发生反应生成Ni3B。Ni B的 作用,最终获得的TiB2-FeNiCrTi金 生成一定程度上劣化了TiB -Ni的力 属陶瓷材料的断裂韧性 ̄gTiB -Fe材 学性能,但也有利于降低材料致密化 料高40% 。 烧结的温度“ 。 虽然TiB,-Fe具有与wC—Co相 综上所述,采用合适的金属材 当的力学性能,但由于TiB 一Fe的致 料与TiB2进行匹配,制备TiB2一M金 密化过程要缓慢的多,并且致密烧结 属陶瓷复合材料已具有一定的研究 所需的温度较高,烧结中容易发生 基础,并且表现出了与WC—Co相当 TiB:晶粒粗化,因此,更多的研究者将 的力学性能,这说明TiB,一M金属陶 TiB:一M金属陶瓷材料的研究集中于 瓷材料具有极大的开发潜力,但也可 TiB -Ni体系材料。 以看到,TiB 一M金属陶瓷材料的研 从表1可以看到,在真空条件 究仍不完备,很少有材料耐磨性的评 下,Ni具有又寸TiB:最好的润湿I生,并—卧日 价,并且致密性、脆性相等众多因素也 比于TiB2和Fe的共晶点(1 340 ̄C),TiB2 限制了其进一步的开发和应用。 衷1 金属材料与TiB2的润湿角 新栅料产业NO.02 2017阿 l重l臣蛋llHSIBHT 因此,借鉴TiB,一M金属陶瓷复 合材料制备方法,选用合适的金属相 与TiB 进行复合,并采用热喷涂技术 种TiB2一M金属陶瓷复合粉末,并采 用等离子喷涂方法制备了涂层,涂层 孔隙率基本控制在6%范围内,并且 应合成法制备出了相结构较为纯净的 TiB,一Fe C r烧结破碎型粉末,并采用 HVOF喷涂制备涂层。由于TiB,较好 的抗氧化能力及在Fe基粘结相中较 低的熔解度,涂层中TiB 含量高于同 制备TiB,一M金属陶瓷复合涂层,从 而扩大TiB,的应用范围,成为了国内 外学者研究的新领域。 硬度普遍在1 000Hv0.3左右,与传统 爆炸喷涂WC—Co,WC-NiCr涂层相 比,等离子喷涂TiB,一NiCr涂层耐磨 性能更为优秀。其中,采用机械合金化 种配比和方法下制备的TiC—FeCr涂 层,这也使得TiB 一FeCrN层在磨粒 二 热喷涂TiB2一M金属陶瓷 和烧结破碎粉末制备的涂层性能更为 磨损过程中更能够抵御疲劳剥落,从 涂层的制备和研究 鉴于TiB,优良的性能,欧美 等国在20世纪80年代就开始了热 喷涂TiB2一M金属陶瓷涂层的探 索。Dallaire等人最早开始尝试通过等 离子喷涂和电弧喷涂反应合成TiB:-Fe 涂层,结果表明:涂层中TiB2分布不 均匀,并且涂层性能强烈依赖于喷涂 工艺,初始粉末的配比和均匀性 。而 后,MontyC151等也采用大气等离子反应 喷涂制备了TiB,一M涂层,尽管涂层中 TiB:体积含量低于500/0,但TiB2颗粒尺 寸小(平均1 m)、分布均匀,涂层耐 磨性有明显提升,但是,由于反应喷涂 过程的复杂性,TiB,与金属的反应合 成无法得到很好的控制,因此很难得 到相组织纯净,TiB:含量高的涂层,不 利于进一步提高涂层性能。 1985年,Mcllwain等人采用机 械合金化的方法制备了含12%TiB2 的TiB,一Fe基合金复合粉末,为了降 低TiB 的氧化程度,他们采用氩气保 护等离子喷涂制备涂层,获得了的 涂层结合强度高达35MPa,硬度达 到840kgf/mm ,耐磨性高于Co基合 金,同时,他们认为TiB 一M金属陶瓷 复合涂层有着很大的应用前景,但需 要进一步提高涂层中TiB:含量“ 。 1998年,Praxair公司申请了 TiB 一M金属陶瓷粉末及涂层的制备 专利,专利中分别采用机械混合,机 械合金化以及烧结破碎法制备了多 圜Advanced Materials Industry 优秀,这得益于这2种粉末在喷涂过 程中,金属相都能够对TiB,进行很好 的保护,从而使TiB,尽可能多且均匀 的沉积到涂层中,这为新型TiB 一M 金属陶瓷涂层的制备及实际应用提供 了有效支持 ,同时也说明了TiB2-M 金属陶瓷复合粉末的制备非常重 要,很大程度上影响了涂层的性能。其 后,TiB2一M金属陶瓷涂层的开发和 制备吸引了国内外更多的关注。 2002年,J.Wilden等人采用惰性 气氛下高能球磨机械合金化的方法制 备了含有70%(体积分数)纳米TiB,的 金属陶瓷热喷涂粉末,金属粘结相选 择的是Ni基自熔合金。他们利用超音 速火焰喷涂技术(HVOF)制备了相应 涂层,发现涂层主要以TiB,和Ni相为 主,含有少量的Ni2B和TiO2相,经测 试发现,涂层在耐磨粒磨损方面有潜 在的应用前景 。 2011年,WU等人也采用类似方 法制备了纳米和微米TiB2一Ni60涂 层,并测试了相应涂层的滑动摩擦磨 损性能,发现纳米TiB厂Ni60涂层具 有更低的摩擦系数和磨损量,这主要 是由于微米TiB2-Ni60涂层中TiB,分 布极不均匀,而纳米涂层中TiB,呈均 匀弥散分布的状态“ 。 除了采用机械合金化粉末制备 TiB 一M金属陶瓷复合涂层外,鉴 于TiB:合成过程中的自蔓延放热反 应,国 ̄bJones等人首先采用自蔓延反 而具有较高的耐磨性能。 之后,同一小组Lotif和Horlock等 人也采用相同工艺流程来制备了具有 不同TiB2含量的TiB2一NiCr涂层,并分 析了涂层的组织,力学性能和耐磨性 能,发现涂层中TiB,呈均匀弥散分布 状态,且仅含有少量氧化相,TiB 的含 量和尺寸分布是影响力学性能和耐磨 性能的主要因素,在最佳喷涂工艺下 得到的TiB2-NiCr涂层耐磨粒磨损性 能明显优于Cr C 一Ni(C r)金属陶瓷 涂层 。 从2002年以来,北京工业大学 一直从事TiB:一M金属陶瓷涂层的 研究和探索。其采用电弧喷涂制备的 TiB2-M金属陶瓷涂层中TiB 分布较 为均匀,与金属相结合紧密,滑动摩擦 磨损性能远优于低碳钢,但涂层中TiB2 含量较低,仅为3 ;但而后其利用高能 行星球磨的方法制备了TiB,-316LSS 金属陶瓷复合粉末用于大气等离子 喷涂,获得了氧化物Ti0 显著减少 的致密涂层。40%(质量分数)TiB,一 316LSS涂层的耐磨性能比不锈钢涂 层提高了约35%,并且分析得出涂层 具有较好的减摩作用,但涂层中TiB, 仍然分布不均匀。 三、存在的问题和对策 通过前文的文献分析可见,热喷 涂TiB2一M金属陶瓷涂层的制备和实 验研究已经取得了一定量的成果,并 被证明具有优秀的耐磨性能,有希 望替代传统金属陶瓷涂层。但是,与 Wc—Co,Cr C 一NiCr等体系材料相 比,TiB:一M金属陶瓷复合涂层研究 送,导致后续涂层中的组织结构不均 匀,性能难以控制,很大程度上限制 了TiB2-M金属陶瓷涂层性能的优化 和提高。 ②对TiB:一M金属陶瓷体系涂 层形成机制 组织结构特点等方面的 热喷涂粉末的制备出发,借鉴传统金 属陶瓷复合粉末的制备方法,制备出 结构和粒径可控,适合大规模应用的 TiB2一M复合粉末。在此基础上,需要 借鉴传统金属陶瓷复合涂层的研究 方法和研究结果,从金属陶瓷复合涂 结果还比较分散,存在着一些问题和 不足之处,可归纳如下: OTiB:金属陶瓷热喷涂粉末的 制备仍然局限于自蔓延烧结合成和 机械合金化的方法,这些方法制备的 粉末形状不规则,粒径往往难以控 认识还不够深入,对涂层显微组织结 构特征与性能关系的研究缺乏系统 性,涂层性能往往难以控制。 因此,对于TiB 一M金属陶瓷涂 层共性问题角度出发,明晰热喷涂过 程中Ti B2-M涂层组织结构的形成过 程,从而从涂层组织结构角度对涂层 性能进行优化。咖 10.3969/j.issn.1008--892X.2017.02.011 制,不利于热喷涂过程中粉末的输 层来说,首先需从TiB:一M金属陶瓷 参考文献 【1】Basu B,Raju G B,Suri A K.Processing and properties of monolithic TiB2 based materials[J】.International Materials Reviews,2006,51(6):352--374. 【2】Berger M,Hogmark S.Tribological properties of selected PVD coatings when slid against ductile materials[J】. 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