楊效田，李霞，楊曉偉，路陽(yáng)，王鵬春,李文生

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

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Ni60/高鋁青銅多元多相復(fù)合涂層制備及其微觀結(jié)構(gòu)特征

楊效田1，李霞2，楊曉偉1，路陽(yáng)1，王鵬春1,李文生1

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：為了研究Ni基/Cu基復(fù)合合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)特征，采用超音速等離子噴涂技術(shù)在45#鋼基體上制備了高鋁青銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的鎳基合金/高鋁青銅多元多相復(fù)合涂層。對(duì)復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)特征、元素分布、相結(jié)構(gòu)組成以及涂層的微觀缺陷進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明:所制備的復(fù)合涂層中2種合金微結(jié)構(gòu)呈疊加層狀分布，組織結(jié)構(gòu)具有梯度復(fù)合涂層特征，致密度高，微界面結(jié)合良好。高鋁青銅合金和Ni60合金元素呈交錯(cuò)分布，相互之間出現(xiàn)互擴(kuò)散特點(diǎn)。高鋁青銅合金具有對(duì)Ni基合金微粒包裹作用和對(duì)微界面填充作用，并且2種合金之間發(fā)生了冶金反應(yīng)，微界面結(jié)合牢靠。相對(duì)于純Ni60合金涂層，高鋁青銅的加入有效降低了復(fù)合涂層缺陷率，減小了缺陷尺寸。

關(guān)鍵詞：超音速等離子噴涂；Ni60；高鋁青銅；多元多相復(fù)合涂層；微觀結(jié)構(gòu)

涂層保護(hù)技術(shù)作為表面技術(shù)的一種，能在低成本基礎(chǔ)上顯著提高工件使用性能,延長(zhǎng)工件使用壽命[1-2]。金屬基材料涂層由于其良好的耐磨性能、耐腐蝕性能，以及優(yōu)良的機(jī)械性能、耐高溫性能而受到科研工作者極大青睞，并已在航空、航天、船舶、石油等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，顯示出了巨大的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。隨著科技的進(jìn)步，單一材料的涂層已經(jīng)不能適應(yīng)特殊工況對(duì)涂層性能的更高要求，這必然推動(dòng)涂層向復(fù)合涂層方向發(fā)展。早期一般采用氣相沉積方法在基體表面獲得多相結(jié)構(gòu)的二元復(fù)合涂層，從而獲得較單一組元涂層更加優(yōu)越的減摩抗磨性能[6-7]。多組元復(fù)合涂層的研究與應(yīng)用，極大地提高了涂層性能，研究者向一些自熔性合金中(如Ni基、Fe基、Co基、Zr基)添加了增強(qiáng)物質(zhì)，從而使制備的涂層耐熱性、耐磨性以及耐腐蝕性得到極大提高，這種纖維增強(qiáng)或顆粒增強(qiáng)的涂層應(yīng)用于工業(yè)零部件表面保護(hù)和修復(fù)中，為工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)[8-11]。就目前該類(lèi)涂層的研究來(lái)看，研究者一般采用的添加強(qiáng)化物質(zhì)為單質(zhì)元素或二元化合物,如Mo、石墨、WC、TiC、SiC、BN、MoS2等。這些強(qiáng)化物質(zhì)的添加，有效地改善了涂層自潤(rùn)滑性能、耐磨性能、耐腐蝕或者相關(guān)的涂層力學(xué)性能等。然而，加入的這種第二組元物質(zhì)均屬于高熔點(diǎn)物質(zhì)，其在基質(zhì)材料涂層中是以強(qiáng)化相的形式單獨(dú)存在，難于與基質(zhì)材料形成有效的冶金擴(kuò)散，從而難于形成均勻連續(xù)的復(fù)合涂層組織結(jié)構(gòu)。如何采用物理化學(xué)性能相近的材料通過(guò)復(fù)合獲得綜合性能優(yōu)異的多元多相復(fù)合涂層，具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和工業(yè)應(yīng)用前景。

Ni60自熔性合金粉末具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性以及抗高溫氧化性能，在冶金、機(jī)械、石油、化工、汽車(chē)等行業(yè)零部件保護(hù)和修復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用[12-13]。楊效田等研制了一種高鋁青銅合金粉體，其具有優(yōu)異的減摩性和一定的耐磨、耐腐蝕性能，是一種很好的工件保護(hù)涂層材料[14-16]，可應(yīng)用于金屬模具、軸類(lèi)、管類(lèi)、船舶等工件的表面防護(hù)，其相對(duì)于Ni基合金，成本低廉，但該材料屬于脆性材料且不具有自熔性能，大面積制造涂層難度較大。因此，本文提出將這種減摩性能較強(qiáng)的高鋁青銅合金粉末和廣泛使用的耐磨Ni60合金粉末進(jìn)行混合，制備出具有優(yōu)異減摩耐磨綜合性能的新型多元多相復(fù)合涂層，研究復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)特征，為后續(xù)涂層性能研究和工業(yè)化應(yīng)用，具有重要意義。研究提出的將2種多元合金混合制備復(fù)雜多元復(fù)合涂層研究方法，對(duì)涂層工業(yè)的發(fā)展具有重要科學(xué)價(jià)值，目前還鮮有相關(guān)研究報(bào)道。

1實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為表面涂層制備中廣泛應(yīng)用的Ni60合金粉體(各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：w(Cr)=15%～17%，w(B)=3.0%～4.0%，w(Si)=3.5%～5.0%，w(Fe)≤5%，w(C)=0.6%～1.2%，其余為Ni)和自主研發(fā)的高鋁青銅合金粉體(各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：w(Cu)=70%～80%，w(Al)=12%～14%，w(Fe)=2.0%～4.0%，w(Mn)≤0.5%～2.0%，w(Ni)=0.2%～0.5%，w(Co)≤0.2%～0.5%)。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的高鋁青銅粉體和質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的Ni60粉體采用機(jī)械混合方法混合均勻，采用超音速等離子噴涂技術(shù)在尺寸為Φ15 mm×150 mm 的45#鋼基體表面制備厚度1 mm左右的涂層。超音速等離子噴涂設(shè)備采用上海大豪納米噴涂材料有限公司生產(chǎn)的DH-2080超音速等離子噴涂系統(tǒng)，噴涂距離125 mm，噴涂電壓130 V，噴涂電流350 A，送粉電壓10 V，主氣為Ar氣，次氣為H2。在噴涂前先對(duì)基體表面進(jìn)行除銹、除油、粗化處理，然后依次用丙酮、10%的鹽酸溶液、酒精清洗工件表面。噴涂時(shí)，將待噴基體試樣夾持在三爪卡盤(pán)上，驅(qū)動(dòng)試樣勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行超音速等離子噴涂制備涂層。

采用金相顯微鏡MEF3A分析涂層微觀結(jié)構(gòu)，日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/MAX2500PC型X射線衍射儀分析涂層物相組成，采用銅靶Kα光源輻射，管電壓8 262 kV，管電流25 924 mA，掃面范圍10°～100°，掃描速度0.02°/s。采用Quanta 450 FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及其附屬的能譜儀對(duì)涂層元素分布進(jìn)行分析。并借助image-pro plus6.0軟件對(duì)涂層缺陷率進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

2結(jié)果及分析

2.1涂層縱截面微觀結(jié)構(gòu)

圖 1(a)、(b) 分別為純 Ni60合金涂層和Ni60/高鋁青銅合金復(fù)合涂層的截面組織金相照片。由圖1(a)可以看出，采用超音速等離子噴涂制備的純Ni60合金涂層組織呈現(xiàn)大塊結(jié)構(gòu)特征，并沒(méi)有顯示出明顯的噴涂涂層常見(jiàn)的層流結(jié)構(gòu)，這是由于Ni60合金的自熔性能較強(qiáng)，噴涂粒子之間熔結(jié)較好，微小的噴涂粒子熔結(jié)后形成較大的結(jié)構(gòu)，致使噴涂層粒子間界面不明顯，從而使其微觀結(jié)構(gòu)顯示為熔結(jié)特征的大塊片狀結(jié)構(gòu)。但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在涂層的缺陷位置由于噴涂外力的壓縮作用，致使涂層中存在的缺陷沿著微結(jié)構(gòu)結(jié)合界面隨動(dòng)變形，留下了大塊粒子之間層流的特征，保留了噴涂過(guò)程粒子扁平變形的固有特性。

從加入高鋁青銅合金的復(fù)合涂層照片可以看出(如圖1(b)所示)，隨著30%高鋁青銅合金的加入，復(fù)合涂層的層流結(jié)構(gòu)非常明顯，添加的高鋁青銅合金和Ni60合金呈交錯(cuò)層狀結(jié)構(gòu)分布，高鋁青銅合金集中或微量交錯(cuò)地分布在Ni基合金微結(jié)構(gòu)界面處，抑制了Ni基合金大片結(jié)構(gòu)的形成，涂層的微觀缺陷明顯減小，涂層致密度大大提高，從而使涂層具有階梯型微結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層特點(diǎn)。

圖2、3分別為2種涂層截面主要元素分布的線掃描結(jié)果。從圖2可以看出，由于純Ni60合金良好的自熔性能，Ni60合金主要元素沿著縱截面分布相對(duì)均勻，但在Ni元素含量較高的部位，Cr元素含量相對(duì)較低，而Cr元素含量高的部位Ni元素含量較低，2種主要元素在涂層中具有明顯的交錯(cuò)分布特征，這說(shuō)明純Ni60合金噴涂涂層元素成分偏析明顯。

圖1　純 Ni60和Ni60/高鋁青銅復(fù)合涂層截面照片(500×)Fig. 1 The section micrograph of the coatings of alloy Ni60 and the composite coatings added high-aluminum bronze(500×)

圖2　Ni60合金涂層截面元素分布Fig. 2　The section elements distribution of alloy Ni60 coating

圖3　Ni60/高鋁青銅復(fù)合涂層截面元素分布Fig. 3　The section elements distribution of Ni60 composite coatings added high-aluminum bronze

從圖3加入高鋁青銅的復(fù)合涂層截面元素分布可以看出，高鋁青銅合金的加入，使Ni60合金中的Ni、Cr元素峰值均出現(xiàn)在相同位置，這說(shuō)明高鋁青銅加入的復(fù)合涂層中Ni60均質(zhì)化程度明顯提高，復(fù)合涂層中Ni基合金主要元素Ni、Cr和銅基合金中Cu、Al元素呈交錯(cuò)分布，這種元素分布特征和圖1(b)金相照片顯示的微觀結(jié)構(gòu)特征一致，具有梯度分布特點(diǎn)，在標(biāo)值如60、110 μm等一些峰值邊界微小部位出現(xiàn)了元素含量交錯(cuò)過(guò)渡，表明2種合金元素在微結(jié)構(gòu)界面處出現(xiàn)了元素互擴(kuò)散。這也說(shuō)明復(fù)合涂層的微結(jié)構(gòu)界面具有熔結(jié)特征，其結(jié)合具有冶金結(jié)合特點(diǎn)，結(jié)合是可靠的。這種良好的復(fù)合結(jié)合能有效避免層層之間的剝離。

在2種涂層與基體的結(jié)合界面處均顯示為元素的陡降，說(shuō)明超音速等離子噴涂制備的2種涂層和基體的結(jié)合均為機(jī)械結(jié)合，沒(méi)能形成有效的冶金結(jié)合，從工業(yè)應(yīng)用角度來(lái)講，這是需要后續(xù)研究克服的問(wèn)題。

2.2涂層橫向表面微觀特征

圖4、5分別為2種涂層表面微觀組織SEM圖片及其主要元素分布特征。由圖4可以看出，純Ni60合金涂層表面存在尺寸較大孔隙，并且大部分分布在熔結(jié)結(jié)構(gòu)界面處，這種缺陷的存在一方面是由于噴涂過(guò)程中卷入的氣體殘留所致，另一個(gè)主要原因是熔結(jié)為大塊結(jié)構(gòu)的Ni60合金較大的表面張力導(dǎo)致的收縮效應(yīng)，以及熱噴涂快速凝固的特點(diǎn)，噴涂的粒子在沉積過(guò)程中相互之間未能得到足夠時(shí)間鋪展，從而在沉積粒子微界面處形成孔隙缺陷。從元素分布可以看出，Ni60合金噴涂涂層元素分布不均勻，存在成分偏析嚴(yán)重，這可能是Cr元素與B、C等快速形成大量強(qiáng)化物相的緣故。

從圖5加入高鋁青銅的復(fù)合涂層可以看出，相對(duì)于純Ni60合金涂層，加入高鋁青銅合金的復(fù)合涂層橫向表面致密度大大提高，存在的孔隙缺陷尺寸也明顯減小。從主要元素分布可以看出，Ni60和高鋁青銅復(fù)合粉體在形成復(fù)合涂層過(guò)程中基本趨勢(shì)是呈交叉分布，但相互之間也出現(xiàn)了重疊分布特點(diǎn)，這說(shuō)明在橫向表面呈獨(dú)立特征分布的Ni60合金和高鋁青銅合金微結(jié)構(gòu)之間也形成擴(kuò)散型的冶金熔結(jié)，結(jié)合圖1、2、3涂層縱向微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以認(rèn)為，在復(fù)合涂層形成過(guò)程中，發(fā)生了部分銅基合金包裹Ni基合金微結(jié)構(gòu)并發(fā)生了化學(xué)冶金結(jié)合。結(jié)合圖6復(fù)合涂層X(jué)RD分析結(jié)果可知，復(fù)合涂層中有含量較高的α-Cu相存在，由于α-Cu性能較軟而塑性好，其在涂層中大量存在能有效填充涂層孔隙缺陷并可能包裹在Ni基合金周?chē)?，顯著提高了涂層的致密度。

圖6為純Ni60涂層和加入30%高鋁青銅合金的Ni60/高鋁青銅復(fù)合涂層表面物相分析結(jié)果。由圖可知，Ni60涂層的主要物相由γ-Ni、[Ni,Fe]、FeNi3、Ni2.9Cr0.7Fe0.36、Cr23C6、Cr2B組成，鎳基合金中B、Si等元素對(duì)涂層有著固溶強(qiáng)化作用,Cr元素易與B、C形成CrB2、Cr26C3等化合物,起彌散強(qiáng)化作用[17-18]。而加入高鋁青銅后的復(fù)合涂層主要物相除Ni60合金原有的主要物相外，還出現(xiàn)了α-Cu、Cu0.81Ni0.19等相，新相α-Cu、Cu0.81Ni0.19的存在使XRD衍射峰雜化，并在44°左右出現(xiàn)衍射峰寬化，意味著高鋁青銅加入的涂層相對(duì)于原Ni60涂層組織具有一定程度的非晶轉(zhuǎn)變趨勢(shì)[19]，結(jié)合圖1～5組織結(jié)構(gòu)可以看出，部分的Cu基合金呈微結(jié)構(gòu)形式鑲嵌在Ni基結(jié)構(gòu)界面處，如前所述，α-Cu固溶體屬于軟質(zhì)相，且Cu元素和Ni元素具有較好的物理化學(xué)相溶性，這不僅能很好提高層間結(jié)構(gòu)的結(jié)合強(qiáng)度，而且能有效填充涂層的空隙，降低涂層缺陷，根據(jù)涂層中出現(xiàn)Cu0.81Ni0.19等相，再次證明，混合粉體在形成涂層過(guò)程中2種粉體發(fā)生一定程度化學(xué)反應(yīng)，形成了新的化合物相，這顯然提高了2種粉體微結(jié)構(gòu)間結(jié)合的可靠度，同時(shí)證明微結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合應(yīng)該是良好的冶金結(jié)合。

一般來(lái)講，涂層元素之間要形成互擴(kuò)散特征，需要較慢的冷卻速度，即需要給予涂層元素充足的擴(kuò)散時(shí)間。如前所述，超音速等離子噴涂涂層具有快速冷卻的特點(diǎn)，這種快速冷卻的特點(diǎn)是導(dǎo)致涂層孔隙形成的原因之一，通常也不能為涂層元素的充分?jǐn)U散提供足夠的擴(kuò)散時(shí)間。然而，制備的復(fù)合涂層卻發(fā)生了2種合金元素的互擴(kuò)散行為。分析這一現(xiàn)象的原因，首先認(rèn)為2種粉體材料的主元素是Ni和Cu，根據(jù)Ni-Cu二元相圖，在628～1 358 K溫度區(qū)間的整個(gè)組分范圍內(nèi)兩組元可形成面心立方結(jié)構(gòu)的置換型無(wú)限固溶體。說(shuō)明兩元素發(fā)生擴(kuò)散的溫度范圍較大。并在628 K就能發(fā)生擴(kuò)散，說(shuō)明這2種元素發(fā)生擴(kuò)散所需要的溫度相當(dāng)?shù)停砻鬟@2種合金具有很好的冶金相(互)溶性(即：能在固態(tài)互相溶解的性能)。其次，超音速等離子噴涂時(shí)，其溫度可達(dá)3 000℃以上。送入等離子焰流中的混合粉體會(huì)產(chǎn)生熔化或處于半熔化狀態(tài)，在此階段以及粉體混合飛行過(guò)程中，混合粉體會(huì)相互碰撞，甚至結(jié)伴飛行，在這一過(guò)程中可能導(dǎo)致混合粉體的互擴(kuò)散行為發(fā)生，甚至可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致化合物生成。另外，由于2種合金主元素良好的冶金相溶性，沉積后的涂層在冷卻凝固過(guò)程中，只要溫度處于628 K以上，這種互擴(kuò)散行為會(huì)持續(xù)進(jìn)行。正是由于這2種合金互擴(kuò)散行為的持續(xù)存在，從而使制備的復(fù)合涂層不僅在涂層微界面呈現(xiàn)冶金結(jié)合特點(diǎn)，而且有效提高了涂層致密度。

圖4　Ni60合金涂層表面元素分析Fig. 4　The surface elements analysis of of alloy Ni60 coating

圖5　Ni60/高鋁青銅復(fù)合涂層表面元素分析Fig. 5　The surface elements analysis of of Ni60 composite coatings added high-aluminum bronze

圖6　不同質(zhì)量配比復(fù)合涂層的物相分析Fig. 6　The phase analysis of different mass fraction of the composite coatings

2.3涂層孔隙率

涂層的孔隙率是熱噴涂涂層的重要特征之一,對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能有顯著的影響。借助image-pro plus6.0軟件采用灰度法評(píng)估涂層的孔隙率，結(jié)果表明，純Ni60合金涂層的孔隙率為6.823 1%，添加30%高鋁青銅的復(fù)合涂層的孔隙率為4.061 4%。

由孔隙率測(cè)試結(jié)果可知，隨著高鋁青銅的加入，Ni60/高鋁青銅合金復(fù)合涂層的孔隙率顯然降低。根據(jù)2.2節(jié)分析認(rèn)為，涂層中孔隙的產(chǎn)生的主要原因一方面是由于噴涂時(shí)夾裹的氣體在涂層冷卻過(guò)程中未能完全排除所致，另一方面是結(jié)晶微粒收縮時(shí)搭接不充分在微界面處形成缺陷；還有另外一個(gè)可能的原因是噴涂顆粒撞擊基體后具有快速冷卻的特點(diǎn),以及噴涂粒子較大的沖擊動(dòng)能使噴涂涂層形成扁平結(jié)構(gòu)的同時(shí)形成微觀裂紋進(jìn)而誘導(dǎo)形成微小孔隙缺陷[20-21]。根據(jù)微觀照片分析結(jié)果，可以認(rèn)為，其中熔滴撞擊基材表面時(shí)的鋪展收縮導(dǎo)致的搭接不充分是微觀缺陷產(chǎn)生的最主要原因。對(duì)于高鋁青銅合金加入的復(fù)合涂層，由于高鋁青銅合金的軟質(zhì)相對(duì)Ni基合金微粒的表面包裹，不僅使2種相溶性較好的合金發(fā)生冶金反應(yīng)，而且對(duì)微界面產(chǎn)生很好的填充作用，同時(shí)由于微小的Ni60微粒表面受到銅基合金的隔離，抑制了Ni60大片結(jié)構(gòu)的形成，有效降低了由于大片結(jié)構(gòu)收縮時(shí)搭接不充分產(chǎn)生缺陷的概率，提高了涂層致密度。

3結(jié)論

1)30%高鋁青銅加入的Ni60/高鋁青銅合金復(fù)合涂層微觀結(jié)構(gòu)顯示為2種合金交錯(cuò)層狀分布，具有梯度涂層特征。相對(duì)于純Ni60合金涂層，高鋁青銅加入的復(fù)合涂層層狀結(jié)構(gòu)更加明顯，組織細(xì)密均勻，缺陷明顯減小。

2)高鋁青銅對(duì)Ni60微粒具有包裹作用，在形成涂層扁平結(jié)構(gòu)過(guò)程中抑制了大片Ni基合金微結(jié)構(gòu)的形成，并對(duì)微結(jié)構(gòu)界面具有填充作用。2種合金交錯(cuò)的層流狀結(jié)構(gòu)之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散及冶金反應(yīng)，涂層微界面結(jié)合良好。

3)純Ni60合金涂層由于噴涂粒子熔結(jié)形成大片結(jié)構(gòu)，收縮時(shí)搭接不充分而導(dǎo)致大尺寸缺陷產(chǎn)生，加入高鋁青銅合金的復(fù)合涂層不僅抑制了大片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而且對(duì)界面具有填充作用，從而使缺陷率降低，缺陷尺寸也明顯減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁桂強(qiáng), 鄒麗靜, 朱永永, 等. 超聲電沉積制備N(xiāo)i-TiN涂層及其耐腐蝕特性研究[J]. 功能材料, 2014, 45(13): 13059-13061, 13066.

LIANG Guiqiang, ZOU Lijing, ZHU Yongyong, et al. Preparation and corrosion behavior of Ni-TiN coatings deposited by ultrasonic electrodeposition[J]. Journal of functional materials, 2014, 45(13): 13059-13061, 13066.

[2]蔡濱, 譚業(yè)發(fā), 胡曉光, 等. Y2O3改性石墨/CaF2/TiC/鎳基合金復(fù)合涂層微觀組織與摩擦學(xué)性能研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2015, 26(1): 112-119.

CAI Bin, TAN Yefa, HU Xiaoguang, et al. Study on microstructure and tribological properties of Y2O3modified graphite/CaF2/TiC/Ni-based alloy composite coatings[J]. China mechanical engineering, 2015, 26(1): 112-119.

[3]謝兆錢(qián), 王海軍, 郭永明, 等. 超音速等離子噴涂超細(xì)WC-12Co涂層的性能[J]. 中國(guó)表面工程, 2010, 23(5): 54-58.

XIE Zhaoqian, WANG Haijun, GUO Yongming, et al. Performance of ultrafine WC-12Co coatings sprayed by supersonic plasma spraying[J]. China surface engeering, 2010, 23(5): 54-58.

[5]WANG Shanlin, CHENG Jingchang, YI S H, et al. Corrosion resistance of Fe-based amorphous metallic matrix coating fabricated by HVOF thermal spraying[J]. Transactions of nonferrous metals society of China, 2014, 24(1): 146-151.

[6]張緒壽, 余來(lái)貴, 陳建敏. 表面工程摩擦學(xué)研究進(jìn)展[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 20(2): 156-160.

ZHANG Xushou, YU Laigui, CHEN Jianmin. Development in tribology of surface engineering[J]. Tribology, 2000, 20(2): 156-160.

[7]韓修訓(xùn), 閻逢元, 閻鵬勛, 等. 多層涂層的摩擦學(xué)研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程材料, 2002, 26(5): 1-5, 41.

HAN Xiuxun, YAN Fengyuan, YAN Pengxun, et al. Progress in the tribology of multilayer coatings[J]. Materials for mechanical engineering, 2002, 26(5): 1-5, 41.

[8]郭華鋒, 田宗軍, 黃因慧. 等離子噴涂WC-12Co/NiCrAl復(fù)合涂層的摩擦磨損特性[J]. 中國(guó)表面工程, 2014, 27(1): 33-39.

GUO Huafeng, TIAN Zongjun, HUANG Yinhui. Tribological properties of WC-12Co/NiCrAl composite coating prepared by plasma spraying[J]. China surface engineer, 2014, 27(1): 33-39.

[9] SHARMA S P, DWIVEDI D K, JAIN P K. Effect of La2O3addition on the microstructure, hardness and abrasive wear behavior of flame sprayed Ni based coatings[J]. Wear, 2009, 267(5/6/7/8): 853-859.

[10]趙運(yùn)才, 熊宏杰, 張正旺. 潤(rùn)滑相MoS2對(duì)等離子噴涂Ni60A復(fù)合涂層摩擦學(xué)特性的影響[J]. 中國(guó)陶瓷, 2008, 44(12): 29-31, 51.

ZHAO Yuncai, XING Hongjie, ZHANG Zhengwang. The influence of lubricating phase MoS2on Ni60A composite coating's frictional charactristics[J]. China ceramics, 2008, 44(12): 29-31, 51.

[11]FLORES J F, NEVILLE A, KAPUR N, et al. An experimental study of the erosion-corrosion behavior of plasma transferred arc MMCs[J]. Wear, 2009, 267(1-4): 213-222.

[12]朱潤(rùn)生. Ni60自熔合金粉末的研究[J]. 粉末冶金工業(yè), 2002, 12(6): 7-16.

ZHU Runsheng. Study on Ni60 self-melting alloy powder[J]. Powder metallurgy industry, 2002, 12(6): 7-16.

[13]揭曉華, 毛志遠(yuǎn). Ni-Cr-B-Si等離子噴涂層加熱重熔后組織與性能[J]. 金屬熱處理, 1996(8): 15-17.

JIE Xiaohua, MAO Zhiyuan. The structure and Properties of the Ni-Cr-B-Si plasma spraying coating layer remelted in Furnace[J]. Heat treatment of metals, 1996(8): 15-17.

[14]楊效田, 王智平, 路陽(yáng), 等. 超音速等離子-感應(yīng)復(fù)合技術(shù)制備高鋁銅合金涂層特性[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(7): 906-910.

YANG Xiaotian, WANG Zhiping, LU Yang, et al. Characteristics of high-aluminium copper alloy coating made by supersonic plasma spraying and induction-refusion composite technology[J]. Journal of Harbin engineering university, 2012, 33(7): 906-910.

[15]LI Wensheng, WANG Zhiping, LU Yang, et al. Preparation, mechanical properties and wear behaviours of novel aluminum bronze for dies[J]. Transactions of nonferrous metals society of China, 2006, 16(3): 607-612.

[16]楊效田, 王智平, 路陽(yáng), 等. 高鋁銅合金粗粉超音速等離子噴涂層的邊界潤(rùn)滑摩擦特性[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2012, 22(11): 3100-3106.

YANG Xiaotian, WANG Zhiping, LU Yang, et al. Boundary lubrication tribological property of high-aluminium copper alloy coarse powders coating made by supersonic plasma spraying[J]. The Chinese journal of nonferrous metals, 2012, 22(11): 3100-3106.

[17]張?jiān)鲋? 牛俊杰, 付躍文. 感應(yīng)熔覆鎳基合金粉末涂層工藝和性能研究[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2004, 25(2): 31-34.

ZHANG Zengzhi, NIU Junjie, FU Yuewen. Process and performance of nickel-base alloy coating by induction cladding[J]. Transactions of materials and heat treatment, 2004, 25(2): 31-34.

[18]李文生, 王智平, 路陽(yáng). 高強(qiáng)耐磨鋁青銅熱處理工藝的研究[J]. 甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 28(2): 26-29.

LI Wensheng, WANG Zhiping, LU Yang. Research on heat-treatment process of high-strength wear-resistance aluminum alloy[J]. Journal of Gansu university of technology, 2002, 28(2): 26-29.

[19]韓耀武, 孫大千, 谷小燕, 等. 等離子噴涂參數(shù)對(duì)鎳基合金涂層組織及沖蝕磨損性能的影響[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2010, 40(2): 461-466.

HAN Yaowu, SUN Daqian, GU Xiaoyan, et al. Effect of plasma spray parameters on microstructures and erosion resistance of Ni based coatings[J]. Journal of Jilin university: engineering and technology edition, 2010, 40(2): 461-466.

[20]BAHADUR S, YANG C N. Friction and wear behavior of tungsten and titanium carbide coatings[J]. Wear, 1996, 196(1/2): 156-163.

[21]WANG Haidou, XU Binshi, LIU Jiajun, et al. Characterization and tribological properties of plasma sprayed FeS solid lubrication coatings[J]. Materials characterization, 2005, 55(1): 43-49.

Preparation of multivariate multiphase composite coatings of Ni60/high aluminum bronze and its microstructure characteristics

YANG Xiaotian1, LI Xia2, YANG Xiaowei1, LU Yang1, WANG Pengchun1, LI Wensheng1

(1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. School of Chemical and Biological Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730050, China)

Abstract：To investigate the microstructure characteristics of a multiphase composite coating of Ni-based/Cu-based alloys, we prepared multivariate multiphase composite coatings of Ni60/high-aluminum bronze by supersonic plasma spraying technology on a #45 steel substrate, in which the content of high-aluminum bronze is 30%. We then analyzed the organizational structure, element distribution, phase composition, and micro-defects of the composite coatings. The results show that the microstructure of the composite coating of two kinds of alloys was distributed as a stacked layer arrangement, the organization structure had the characteristics of a gradient composite coating, the coating structure was compact, and the micro-interface integration was favorable. The elements of two types of alloys of high-aluminum bronze alloy and Ni60 were distributed in a staggered form, and mutual diffusion occurred. The high-aluminum bronze alloy cladded the Ni60 alloy particles and filled the micro-interface of the organizational structure. At the same time, a metallurgical reaction took place between the two kinds of alloys. As a result, the micro-interface bond was stable. Compared with the coating of pure Ni60 alloy, the addition of high-aluminum bronze can effectively reduce the coating defects and thus decrease the size of the defects of multivariate multiphase composite coatings.

Keywords：supersonic plasma spray; Ni60; high-aluminum bronze; multivariate multiphase composite coatings; microstructure

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)03-461-07

doi:10.11990/jheu.201501050

作者簡(jiǎn)介：楊效田(1971-)，男，博士，副研究員.通信作者：楊效田，E-mail:398830990@qq.com.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365024,51361020,51165021)；國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2013DFR50790)；甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(SKL1301)；蘭州理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目.

收稿日期：2015-01-31.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151224.1405.010.html

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-12-24.