基于原位反应冷喷FeAl金属间化合物基金属陶瓷涂层形成机制

基于FeAl金属间化合物高抗氧化-腐蚀和室温脆性，结合材料冷喷涂低温移植特性，本项目采用机械合金化制备陶瓷相高体积分数的亚稳结构Fe(Al)固溶体复合粉末，通过冷喷涂沉积亚稳结构Fe(Al)固溶体陶瓷复合涂层，结合后热处理实现Fe(Al)固溶体向FeAl金属间化合物的原位转变及界面扩散强化，获得FeAl金属间化合物基金属陶瓷涂层。研究亚稳结构Fe(Al)固溶体陶瓷复合粒子碰撞瞬间塑性变形和粒子内陶瓷硬质颗粒流动特征，阐明复合粉末中陶瓷相种类、体积分数及亚结构对粒子沉积变形、界面结合及涂层结构形成的影响，探讨热处理过程中微纳米Fe(Al)固溶体向FeAl金属间化合物的原位转变特性，研究亚稳结构扩散过程陶瓷/基体相、沉积粒子间及内部界面结合的演化机制，阐明粒子结构、沉积行为及热处理工艺对复合涂层性能的影响规律，为制备耐腐蚀抗磨损的FeAl金属间化合物基金属陶瓷涂层提供理论依据。

项目围绕冷喷致密FeAl基金属陶瓷涂层的结构形成机制，研究了球磨工艺及粉末结构等因素对亚稳结构Fe(Al)固溶体基复合粉末粒子参数及冷喷沉积特性的影响，研究了涂层热处理过程中Fe(Al)向FeAl原位转变、涂层结构演变机制及粉末结构、热处理温度对冷喷FeAl金属间化合物基金属陶瓷涂层结构和性能的影响。研究发现：延长球磨时间，Al原子向Fe晶格扩散形成层状结构纳米晶Fe（Al）固溶体，随着陶瓷颗粒含量增加，Fe（Al）基复合粉末粒度减小，组织细化加剧，适当球料比和高转速有利于加速Fe（Al）基复合粉末的机械合金化过程。随着基体硬度增加，粒子变形程度增加，嵌入基体深度减小，粒子形态由完整球状演化为带有部分飞溅的扁平状。冷喷Fe(Al)基复合涂层组织致密，相结构与喷涂粉末相同。冷喷Fe(Al)基复合涂层在650℃热处理后，Fe（Al）转变为纳米晶FeAl，随着热处理温度升高FeAl晶粒尺寸增加，涂层组织改善；950℃热处理后，冷喷FeAl-WC金属陶瓷涂层与1Cr18Ni9Ti基体在界面发生互扩散,Cr元素促使WC颗粒与FeAl基体发生固态冶金反应，并使WC颗粒发生团聚长大，扩散到基体中的Al元素则以Al（Ni,Cr）金属间化合物颗粒析出。喷涂参数对冷喷Fe(Al)基复合涂层显微硬度影响较大；随着WC陶瓷相含量（10%、20%、40%）增加，Fe(Al)-WC复合涂层显微硬度增加，耐磨损性能提高。Fe(Al)-40WC复合涂层的硬度高达1030HV0.3，接近传统热喷涂WC-12Co涂层的硬度,Fe(Al)-60WC复合涂层的磨损失重量仅为相同磨损条件下316L不锈钢的1/5。冷喷FeAl-WC涂层在650℃热处理后，其断裂韧性与喷涂态相比有所降低，但在850℃热处理后断裂韧性显著提高；冷喷FeAl-WC在650℃热处理后其磨损量最低，继续增加热处理温度，磨损量变化不大；随着WC陶瓷相含量增加，FeAl-WC涂层的硬度不断增加，850℃热处理后FeAl-40WC涂层硬度高达1160HV0.3；随着WC陶瓷相含量增加，冷喷FeAl-WC涂层断裂韧性显著降低，在850热处理后FeAl-10WC涂层的断裂韧性高达15MPa.m1/2，而FeAl-40WC涂层仅为4MPa.m1/2。