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SHS反应喷涂TiN涂层的反应机制和组织分析


七 陶瓷 基、 基 复合材料 碳

SS H 反应喷涂 T i N涂层的反应机制和组织分析‘
杜心康 尹玉军 叶明惠 王俊英 王建江
( 军械工程学院先进材料研究所, 石家庄, 00) 0 03 5 摘 要 本文采用 SS      H 火焰反应喷涂工艺在钢基表面制备了以T i N为主相的陶瓷涂

层, 研究了在适当工艺参数下, 不同喷涂距离涂层物相组成与组织结构, 分析了热喷涂条件 下的T, 反应机制与影响反应进程的控制因素。研究表明: i N 在外界预热下, 反应起始于T i 颗粒表面微熔与N分解, Z 发生高放热反应, ”的氮化物, 生成 反应热使高熔点产物相处于熔 融状态, 与基材碰撞后形成层片状结构; 反应进程受 凡分解速度和 N原子向熔融 T 内部扩 i 散所控制, 原位合成T 及其中间相” o, i N N.随喷涂距离增加, , 氮化转化程度升高, 同时中间 相T 逐渐减少, i 凡, 但受扩散动力 学过程的 制约和温度的 降低 中 相不会完全消失, 间 并形成 从片层颗粒表面到心部r的氮化转化率均匀降低的现象; 适当含量 N-r i 合金粉的加人通 C 过促进 从分解的催化作用和降低T熔点, i 从而促进叭的氮化转化程度, 加速反应进程口 关傲词 SS 反应火焰喷涂 陶瓷涂层 反应机制 组织 H

1 引言
近年 将自 延高温合成技术( l ratg  -mete hi 简称SS      蔓 来, Sfo gi H heparS ts, e pp a - n gt r u y es n R 技术) 与 传统热喷涂技术相融合而形成的 SS H 反应喷涂技术得到了国内 外学术界的广泛重视和深入研 究, 前已出 目 现了SS R 电弧喷 SS 涂, 等离子喷涂, S 焰喷涂和热爆反应喷涂等技术〔2 涂 H S 火 H 1  - 3 层涉及TCTB  SNA, N 蔓延体系!4 与 i ,  M-,  TB 等自 -  , i  li- i o i -  -  - 3 ] 传统热喷涂不同, -。 这一技术着重引人
并强调了喷涂过程中的SS H 反应, 利用较低外界能量输人和廉价反应原料, 利用反应高放热, 在 合成高熔点相并使其处于 熔融状态的同时获得致密涂层, 因而具有重大的理论研究和工程实践 意义。 但对这一技术领域的研究目 仅处于起步阶 技术工艺摸索和涂层质量控制尚不成熟, 前 段, 尤其是相关理论研究, 如喷涂条件下的SS H 反应模式、 熔合碰撞连接过程、 复相凝固规律等更缺

乏系 统的理 论体系。 利用自 本文 行设计改制的氧乙 焰喷枪制备了以7 为主的T /N3 炔火 S N iT o/ Ni TN C涂层, 其喷涂工艺 i ir /- 对 参数、 S S 反应机制 H 及涂层微观成分与 进行了 探讨。 组织 初步

2 实验部分
21 涂层制备工艺 .
涂层制备采用 SS      H 反应喷涂工艺, 利用自 行改制的 USI -  型氧乙炔火焰喷枪, 分别进行 T N i - 系和T N 0    r i / qN C系系列喷涂实验, -4 (i ,- 研究喷涂距离分别为 1 , 01 , 0 0 n 涂层的物 0 1 , 01 和20  03 5 7 u n 相组成与组织结构。氧气压力为0 M a乙 . P, 炔压力为0 8  , 4  . Ma喷涂过程中 0 P 保持微碳化焰, 送粉

气为 作为反应 物之一的叽, 原始粉料选用4一0 的 0 7 t 化学纯T粉和NC合金粉, u n i ir - 同时加人少
量石墨粉作为还原剂以避免喷涂过程中高温下T的氧化。基材选用 4 钢5 m x m x  m i 5 0  5 m  m m 0  6  平板试样, 喷涂前进行喷砂粗化处理。

22 成分结构测定 .
涂层材料试样经切割后研磨、      抛光, 日本电子 JO JA80 用 E L  - 扫描电子显微镜进行组织观 X 4 测, ( FR IS 0 射线射散能谱仪上做电子探针元素分析, DmxI  X 用 ) O D  3 K X S 0 I 在 fa B - 型 射线衍射仪 上做物相分析。
国家自然科学基金资助项目N . M4。联系人 杜心康, .59 3 97 石家庄。000, 503军械工程学眺机创艘研室

52 2

复合 材 料—

生命 、 瑰与高扶米 环

3 结果与分析
图t      所示为涂层横断面抛光试样 SM电镜照片, E 可以看出经反应喷涂均得到了由不规则层 片状产物颗粒相互嵌接而形成的致密涂层结构, T NN C 系涂层中除层片状结构外还弥散分 在 i /i r - - 布着一定量的球状颗粒如图 t助所示。对试样涂层进行粉末 X射线衍射分析表明,i ( T N系涂层 -

主 要由T 和7 o相 i ' , 组成,- NC系则由T ,N, r3 组成, N i3 N TN ir i/ - i T o和C i Ni N相 如图2a 。 示 结合 ( 和( 所 ) ) 图3 所示对涂层微区元素面扫描分析表明,N i . T 和T o均匀分布构成 f i N3 涂层中的片层结构,ir NC - 合金 则以C i 形式弥散分布于片 r3 N 相的 层结构中。
分析认为, 反应喷涂涂层形成过程经历预热、 S     SS R S 反应、 R 碰撞连接、 凝固4 个阶段, 在外界氧

乙 焰预 炔火 热下, 于『颗 起始 r 粒表面 i 微熔和N向N 分解, : 原子 发生了T与N 反 i 的 应形成T的 i 氮化 物, 应 该反 放热又 进一步促 进了T的 i 熔融和姚分解, 这一反应绝热温度高 达4 I5使喷涂火 卿 c1 (,
焰温度大幅提高, 燃烧火 焰呈白炽状态, 并使高温区范围显著增长和加宽, 这一高温环境也使反应 产物” 和T o处于 N i . 熔融或半 N3 熔融状态, 熔滴与基材碰撞时变形铺展而成层片状形态。 故当

图 1 涂层微观组织形貌 S M E
()i *  ()i /i r aT-   6T- N- 系 N  N C 80 70 60 50
 犯  O                        

舟 川
40 加 20

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l68024 1555%56666 且3444肠8021 80116  379444655565666 1 4  3         N 4 2 6 0 4 4 8 60 4 4 82
()            a () L

2                                           8  2 0

3 469 4 16 55 d6 66 46 2 334 2 14 02 35 02 6 3 06 8 3 8 6

( 2 o 9 )

图2 涂层X射线衍射图谱                           
()i                   cT NN-r .T- N系 10二 ( i 3 bT- N系 10-  )i /i 系 7  ( C

比      涂距离下的相 较不同 喷 组成结果 表明, 涂距离的 随喷 增大,N。 含量明 T o相的 i 显下降, i 而T N 含量则明显增多, 如图2a和() () ( 所示。 b 我们认为, 燃烧合成反应进程主要由N到 N z 原子的分解 过程和N 原子向 熔融T内部扩散并反应两个过程控制, i 随喷徐距离的增大, 从分解程度和N 原子 扩散深度增加, 一方面 i 氮化转化率随之升高, 使T的 另一方面 使亚稳相T o含量降低而 i. N3 稳定相
T 含量明显增多。对片层产物颗粒表面和心部的EM 点分析表明, i N PA 从颗粒表面到心部 T的氮 i 化程度即含氮量均匀降低, 部分颗粒心部甚至仍以 单质T元素形式存在, i 这是因为受 N 原子扩散

七 、 瓷 基 、 基 最合 材 料 陶 破

进程的制约和喷涂粒子迅速飞离高温区而温度急剧下降而造成, 这一现象也证明了反应进程受 扩散 控制的规 律。 实验分 析表明, 在本文 所研究的 粒度范围4 一0  对TN 涂体系, 0 7I  m内, i 喷 - 当喷 涂 达到1 , 左右时, 不 距离 5 0 已 存在单质r形 而 涂距离 , 式, 在喷 达到1 m 以 i含量基本 7 m 后T 0  N 稳定在 5 8%左右, 随喷涂距离 继续增大, 于温 由 度的 下降, 原子进一步 N 扩散能力降低, 使得在喷 涂距离 超过1 二 以 涂 始终保持约1%T o亚 7 0 后, 层中 5 i. 稳相。 N3

图3 涂层微区元索面扫描

对TN系和T N 0  ir      i / 9N C 系反应转化程度 X射线定量分析发现, i - - 4 6  - 当喷涂粉料中加人 N C ir -

细 合金粉 在相同喷 后, 涂距离下, 的氮 T i 化转化率明显提高, 1 m 如在 3 m喷涂距离时,- 0  TN系T i i 的氮 化程度为 06转化物中T 约占 06 而TN ir 化转 69, i 吩3 59, i/- 系在该喷涂距离下T的氮化转 - NC i 化 程度已 89, 物中T 仅占 06 根据催化 达 06转化 i 叹3 39。 化学的 基本原 我们 适当 理, 认为 含量的N i - C细合金粉的 通过促进札向N r 存在 原子分解的 速度而 促进T与N 反应进程, 细金属粉 i 的 即 起到
了 催化剂的作用。此外,i r N- 合金粉与T粉共存可降低 T的熔点促进反应的发生。但当合金粉 C i i 含量较多时, 会降低束流温度, 同时造成涂层中未熔融相含量的增加, 即在涂层中以球形颗粒状 态存在, 有关这一内容将在后续的研究中深人探讨。

4 结论
利用 ss      l 火焰喷涂技术在钢基表面制备了以T i i N为主相的陶瓷涂层。T与 N发生自蔓延放 i 热反应, 形成r的氮化物, 并使其熔融与基材碰撞后相互嵌接形成层片状结构。 反应起始于T表面微熔,      i 反应进程受N分解和N z 原子向 熔融T内部扩散所控制最终形成终 i

产物T 和中 相T O共存 i N 间 ',  结构,ir N3 NC合金粉的 - 加人因促进N分解和降低T颗粒熔点而促进 z i
反应进程。

参考文献                                    
Z  Mn i A  nr K d o -  T

J  o .  bso ad sa tes  i -l , r n r s e Yr:  B l Cm utn  p m s h i f  lqe r e 创ea         Ht o i n l a y s n h he a g o i N w  k19 l o 90

Rai tm s y  i votc ve  n e rt mi ot c tg.  aoTemSm T h l e te  -  b hh c e m j a hae t f  oisJ m l  ma py  nm c h v e p y  e i n e d  cd o h a a g l y  t  a n  e  n w f  l  m o h
V   ka KS k i

3 y 1 .()5 g,  984 : 7 9 9
S  - C  i v P Fu a d而5 口  ̄7 义 8

Ha i s y g  ie,rn e tg J m l hraTc o g, 763 e t p i on k -u id c i .  aoTe l e nl y 1 ,() aw m , f  l n i o n o c d a o f  m h o 9 9 Re  ie t m p tsur n p f l h ia c tg  ot at l  h -  sa l fe  c s t s n o i d so S f Ca n Tc og 1 79 ) v e an : i s a y es  a e i n u t r n d  n p i r oi s h l y  (7 : tg e n o 9 7

57 4

X合材料—

生命 环 沈 与 言 技 术

5 殷声 椒烧合成 北京: 冶金工业出版社,99 1 9

R S A H  ME H NS A D  C OS R C U E       C ON  C A IM N MIR T U T R OF EER TN OA I P OD CE B S S E C IE P A       G R U D Y H R A TV S R Y i C TN
D Y kn Yn u Y Mnhi ag yg ag jn                   i W n Jnag u  ag iYj i                      n u n e g  W n J n i u u n ii a
(r - nne g a , ihe , 03                                Od Egei Clg 弘刃z a 00 ) e ir o e n aug 5

A SR C  T caic tg  p dc 场thogoSS  te y Pa cmotn  mcs , BT A T i e mc i ws  u d e nly H rcv sa. s op i ad rt - N  r on a r e a o c o f  e i p a r h e  so n iom i

te  y wro eea a le.  rc e h i bweTp i a 映ws  f h d op i r ole e brd  ny d SS t mc nm  e i c n u f  e  v n az H e i e as e n a l d as owe e mo- a r  s d  av t t r e  e f  c s t  n  tn  n Tpr lwrm l nueey Rai p c s  c tld w a esTe  ws  r i o伙a i c e   t pt g. cv re ws r e 场t s c .  oe  dca o f d  aie  e 勿i nr e te  s a oo t e o n o  t h n a e - p o pin  o映, e r se i r oN i ml r c , c tl n oy d r on oi r f t oew pana f  n eTp i wi o o d  n t e e - so a t t e  h t a rdg  h s  t  ̄ t t  rl h n l o lh g f  e  o  a e  h  e t  e  t r e r i ig bt  t pa c p i n c ws o r c psg  iad r o n  l h s o so h h  i v r e uao  h e  ot wi adc ed  on oT n T _ s e  m i s e o i f  m N  i N K Y R S H ,  te  e y caic tg rcv mcai , rtcr E WO D  SS rcv fm s , mc  i ,  te  h s mcs te e i l p a a r e a r o n e i e nm i r u s a ou



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