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

冷喷涂因颗粒低温特性可实现材料结构移植，对沉积热敏感金属陶瓷涂层具有广阔的应用前景。本项目用金属韧性相将多尺度陶瓷颗粒包覆后，采用团聚工艺制备多尺度微粒团聚粉末，在不同硬度基体进行冷喷沉积实验，研究多尺度陶瓷金属双相复合粒子碰撞瞬间塑性变形和陶瓷颗粒周围韧性相局部塑性流动特性，基体硬度、硬质相颗粒尺度、粒子尺度及界面结合状态对双相复合粒子沉积过程界面变形及涂层结构形成的影响,探讨硬质颗粒冲击能量对软硬双相复合粒子微团流动、硬质相颗粒再分布及涂层结合的作用。围绕粒子速度和临界速度这一制约涂层结构形成的关键问题，提出通过控制复合粒子尺寸、组分结构与密度，研究基于粒子尺度效应和结构效应的冷喷临界速度控制规律，研究阐明多尺度双相复合粒子沉积金属陶瓷涂层结构与性能的关系。通过揭示软硬双相复合粒子冷喷沉积行为及涂层结构形成机制和规律，为制备高强韧性和耐磨性的高体积分数金属陶瓷涂层提供理论依据。

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.