等离子反应合成纳米及亚微米[(AlxCr1-x)2O3+Cr]共晶涂层及组织调控

The project aims at the difficult problems encountered in the process of metal toughened ceramics prepared by plasma spraying thermite reaction system, including aggregation and uneven distribution of the metal phase and poor interfacial wettability between the metal and ceramic phases which caused by the non-simultaneous solidification of metal and ceramic phases. The exothermic reaction system of Cr2O3-Al was ignited by plasma spraying. Nano and submicron [(AlxCr1-x)2O3+Cr] eutectic coating was obtained due to the eutectic solidification of the reaction products through regulating the composition of the reaction system and the processing parameters of plasma spraying. The main investigation contents of the project are as follow: the preparation process of the eutectic coating and the rule of controlling the quantity, the distribution and morphology of the metal phase; the formation mechanism of the nanometer and submicron eutectic microstructure; the interface microstructure between the two phases of the eutectic microstructure and the role of changing the interface combination of the two phases; the influencing role and mechanism of the toughness of the coating by the quantity and the distribution of the metal phase and the interface combination state of the two phases. The innovation of the project is to solve the problem of metal-toughened ceramic by preparing ceramic-metal eutectic. The project has important theoretical significance to preparing other eutectic coatings.

在等离子喷涂铝热反应体系制备金属/陶瓷复相涂层中发现，金属的数量、形态、分布及尺寸对金属韧化陶瓷的效果产生很大影响。由于金属滞后于陶瓷结晶及两者润湿性较差，导致金属相聚集，造成金属的尺寸、形态、分布不合理，因此解决金属相的数量、尺寸、分布及与陶瓷润湿的问题便成为金属增韧陶瓷的难点。本项目采用等离子喷涂Cr2O3-A复合粉，通过调控反应体系的成分、制备工艺参数使反应体系以[(AlxCr1-x)2O3+Cr]共晶的方式结晶成纳米及亚微米共晶思路解决这些难点。本项目主要研究共晶涂层的制备工艺及影响因素；研究对金属相的数量、分布、形态进行调控的规律；研究纳米及亚微米共晶的形成机理；研究共晶组织中改变两相界面结合的规律；研究金属相的数量、分布及两相界面结合状态对涂层性能的影响规律及机制。项目创新之处在于用制备陶瓷-金属共晶的思路解决金属对陶瓷的韧化效果问题，对制备其它陶瓷共晶涂层有重要理论指导意义。

以韧化陶瓷材料为目的，本项目主要研究了原位合成[Cr+(CrxAl1-x)2O3]共晶纳米复合涂层的制备、组织及其调控、纳米材料的形成机理等内容，经研究得出：.1）采用等离子喷涂的方法原位合成出[Cr+(CrxAl1-x)2O3]共晶纳米复合涂层。.2）要想得到共晶纳米复合涂层，在Cr2O3-Al原始反应体系的基础上，必须添加一定量和一定比例的（Al2O3+Cr2O3）添加剂。.3）添加剂使原始反应体系的To提高，实际反应温度Tc降低，但Tc均高于Cr2O3和Al2O3的熔点，因此添加剂能完全熔化。.4）制备共晶纳米涂层的最佳工艺为：添加剂的加入量为原始反应体系的1.5~2倍，Al2O3/Cr2O3=3/7~7/3，喂料颗粒-300目~+400目，喷涂功率28~30kW，枪距100mm。.5）涂层组织为颗粒状及棒状Cr弥散分布在(CrxAl1-x)2O3基体上，颗粒直径及棒的截面均小于10nm，属于共晶纳米涂层。Cr与(CrxAl1-x)2O3相的相界面属于半共格界面。.6）依不同冷速，共晶晶核分别以树枝状、柱状及胞状共晶的方式长大，不同的长大方式，对应组织中Cr相呈棒状或短棒状，胞状的形态。.7）添加较高比例Cr2O3的添加剂是获得共晶纳米复合涂层的必要条件。这是由于在激冷的条件下，高Cr2O3含量的(AlxCr1-x)2O3作为领先相会大大促进Cr的形核并抑制其长大，使Cr形成纳米Cr颗粒（棒）。.8）添加剂的加入量及成分的变化不仅影响涂层中金属相与陶瓷相的比例，还改变陶瓷固溶体相的成分，通过改变添加剂的添加量及成分可以实现对涂层组织的调控。.9）在磨损过程中，共晶纳米涂层展现磨痕缺陷现象，磨损中纳米Cr颗粒的移动是产生自愈合的主要原因。.10）共晶纳米晶涂层有低的通孔率，纳米Cr颗粒并不影响涂层的耐蚀性。.上述成果对纳米材料的研究有重要的理论意义，对陶瓷材料的开发有重要的价值。