多尺度双相复合金属陶瓷粒子冷喷沉积行为与涂层形成机制

本项目围绕金属陶瓷粒子沉积行为和涂层形成机制，针对碳化物尺度、基体硬度、粘结相与碳化物界面结合等影响涂层形成的关键粒子结构因素，运用纳米、微纳米和微米不同尺度碳化物，通过团聚、包覆和烧结粉碎工艺方法，制备了不同结构的多尺度金属陶瓷粉末，在不同硬度基体上进行单粒子沉积实验，研究了碳化物尺度、粘结相种类及含量、粉末结构、基体硬度、沉积工艺参数等对粒子变形（扁平化）行为及涂层结构性能的影响规律。研究发现，随着基体硬度增加，粒子变形程度增加，嵌入基体深度减小，粒子形态由椭球状演化为带有一定周边飞溅的扁平状，在WC-Co基体上的扁平粒子出现了Co相的径向飞溅和细小WC颗粒移动现象。随着碳化物尺度减小，粒子变化程度增加，表现为扁平粒子周边出现的薄带状结构，粘结相含量增加，扁平粒子半径增加。粉末制备工艺对变形有较大影响，团聚烧结工艺制备的粉末扁平化较好，烧结粉碎工艺制备的粉末变形困难，难于形成完整的扁平粒子，而包覆工艺制备的粉末易于散开。随着粒子尺度增加，粒子自身变形程度增加，但嵌入基体深度减小。对不同制备工艺粉末沉积涂层的显微结构研究表明，在本实验条件下，团聚烧结工艺制备的WC-Co粉末，由于细小碳化物再分布和Co相变形，形成了具有一定条纹状特征的涂层结构，以机械混合团聚烧结的微纳米WC-17Co粉末沉积涂层的条纹状结构更为明显，而采用包覆WC-Ni粉末沉积的涂层则显类似于压制烧结的复合材料结构，未发现类似于WC-Co涂层的条纹状结构。涂层形成过程中未发生WC的相变，但发生了碳化物颗粒碎化和Co相的相变。涂层硬度受原始粉末中碳化物颗粒尺度、含量，粉末种类、加速气体温度影响较大的影响。对于多尺度WC-12Co涂层，随着加速气体温度变化其显微硬度在1550 kg/mm2~1610.5 kg/mm2变化，磨损失重量在0.57mg~1.8 mg变化，随着喷涂距离变化，涂层的显微硬度在1273.5 kg/mm2~1550 kg/mm2范围变化，磨损性能在1.8-2.43 mg变化。原始粉末碳化物尺度对涂层的性能具有较大影响，纳米WC颗粒粉末沉积涂层具有较高的硬度，微米WC颗粒粉末沉积的涂层具有较好的断裂韧性，而多尺度WC颗粒WC-Co粉末沉积的的涂层具有良好的耐磨性和较好的断裂韧性。项目研究结果对揭示冷喷金属陶瓷粒子涂层形成机制、优化金属陶瓷粉末结构及涂层制备工艺具有一定指导作用.