金属陶瓷表面复合材料制备技术

4 工业应用效果及存在的问题
如今国内长期从事与表面强化工程项目的许多 企业已经装备有超音速火焰喷涂系统、数控火焰喷 焊系统、数控堆焊系统等大批表面强化设备，能够 为国内冶金等行业提供诸如热轧输送辊道、层流运 输辊、喷焊辊和各种规格的连铸辊、夹送辊、助卷
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全适合，难度较大。 （2） 聚焦光束表面堆焊 聚焦光束表面堆焊是近年发展起来的新型表面
堆焊技术，采用聚焦光束进行堆焊，造价仅为同功 率激光设备的 1/3。聚焦光束用于表面堆焊时，金 属材料对光束的吸收率高，能源利用率可达 50% 以上。由于功率密度的限制和电弧吹力的影响，利 用传统的粉末堆焊技术，堆焊层很难同时做到高效 和低稀释率。而光束粉末堆焊的功率与传统的电弧 堆焊相当，但加热过程平静，对熔池无机械力作 用，可获得低稀释率的堆焊层。清华大学开发了采 用二次聚焦方式的光束加热设备，功率密度可以达 到 104 W/cm2 以上。在低碳钢表面上进行的手涂预 置镍基合金和铁基合金粉末的聚焦光束堆焊研究表 明，选用合适的合金材料和工艺，可以获得良好的 单道单层、单道多层及多道单层大面积堆焊层 。 [25]
(a) 粉送到激光束中
(b) 粉送到激光束后
图 2 激光处理过程中粉末注入位置示意图 [45]
（2） 等离子熔化-注射技术
等离子熔化-注射技术是在激光束熔化-注射
技术的基础上通过更改热源，从而有效地降低了成
本，扩大其应用价值。刘爱国 [30] 等人用等离子
熔-注技术在 Q235 钢表面成功制作了 WC-17Co 金
1、大连华锐重工起重集团特种备件制造有限公司助理工程师 大连 116052 2、中国第一重型机械股份公司核电石化事业部助理工程师 大连 116113
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一重技术
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粉末堆焊主要包括等离子弧堆焊、电子束堆焊、激 光堆焊以及近几年来发展起来的聚焦光束堆焊 。 [11]
已成为制备这类涂层的主要技术之一。对于 NiCrCr3C2 金属陶瓷来说，利用超音速火焰可以有效地 抑制 Cr3C2 在喷涂过程中的分解，制备的涂层能较 好地保持陶瓷原有的良好耐磨性 [18]，结合强度高， 孔隙率低 [19]，同时成本明显降低，
2.2 激光熔覆
激光熔覆工艺包括粉末材料的加入和激光辐照 加工两部分，金属粉末的加入方式分预置法和同步 送粉法 [20] （见图 1），其中预置法可采用氧乙炔火 焰喷涂法、等离子喷涂法和粘结法；而同步送粉法 是利用送粉器在激光辐照需熔覆的表面时，把金属 粉末送入基体被激光辐照的熔池中，达到粉末的加 入与熔覆同步进行。绝大多数研究采用粉末预置 法。将陶瓷粉末和作为粘结金属的低熔点金属粉末 按一定比例均匀混合，利用激光熔覆技术在金属材 料表面制得致密无缺陷的金属陶瓷复合材料层，将 金属材料的强韧性和优良的工艺性能与陶瓷材料的 优异性能有机结合起来，在降低生产成本的同时大 大提高了工件性能。现在，激光熔覆技术己经成功 的在铝基、钛基、钢基金属材料表面制备出了致密 无裂纹的金属陶瓷涂层。激光熔覆技术优点是熔覆 层稀释率低，可以精确控制；激光束能量密度高， 作用时间短，基材热影响区及热变形均可降低到最 小程度；熔覆层组织致密、微观缺陷少、结合强度 高；熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制；激光 熔覆对环境无污染、无辐射、低噪声、劳动条件得 到较大程度的改善 。 [21,22]
1.3 高能束粉末堆焊技术
堆焊是指借助一定的热源手段，在材料或工件 的表面熔敷一层具有耐磨、耐腐蚀等特殊性能的堆 焊层，以得到所要求的性能或尺寸的工艺方法。采 用堆焊方法可以显著降低生产成本、提高工件的使 用寿命，充分利用材料性能、提高劳动生产率。堆 焊技术不仅是延长材料或零件服役寿命的有效工艺 方法，而且逐渐成为先进制造技术的发展基础。高 能束粉末堆焊是将高能束流作为热源，以一定成分 的合金粉末作为填充金属的特种堆焊工艺。高能束
属陶瓷层，实验结果表明，等离子熔-注 WC-17Co
层成型良好，无宏观缺陷。
3 存在的问题
目前，金属陶瓷表面复合材料的制备方法很 多，但每种方法都有其难以克服的缺点。例如，喷 涂中技术的涂层与基体仍是机械结合，不适合重载 工作条件；高能束热源熔敷中，熔敷层的气孔和开 裂问题一直是碳化物陶瓷堆焊的难题；铸渗过程中 如渗透能力差、气孔、夹渣、渗层深度不均匀、表 面粗糙度高等问题，制约了其推广和应用；而高能 束熔化-注射技术目前还处于实验探索阶段，尚未 达到广泛应用水平。
1.4 铸渗技术
铸渗技术是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定 在型壁的特定位置，通过浇注时金属液浸透涂料 (或预制块) 的毛细孔隙，使合金粉末熔解、融化， 并与基体金属融合为一体，从而在铸件表面上形成 一层具有特殊组织和性能的复合材料层 [12,13]。它是 材料表面改性与零件成型同时进行的一种新型表面 改性技术，由于其具有不需要专门设备，表面处理 层厚、生产工艺简便、成本低廉等优点，在众多表 面强化技术中独树一帜，越来越受到人们的重视。
2.4 铸渗技术
1977 年英国铸钢研究与贸易学会、加拿大矿 产及能源技术中心采用真空技术将合金粉末或陶瓷 颗粒材料吸附在铸型的表面或某一特定部位，浇入 母材金属，形成表面合金层或表面复合材料层。 Deo.Nath 等人在上个世纪 90 年代初就研制了铸铁 基加 SiC 陶瓷颗粒表面铸渗耐磨复合材料。金属陶 瓷 WC 可谓是人们目前使用最多的一种铸渗剂，与 钢铁材料相比，WC 具有高的硬度及高的红硬性， 同时 WC 的抗压强度，导热及杨氏模量比钢铁材料 高 2~4 倍，具有与高速钢相等的高强度及高韧性， WC 本身的许多优势决定其在切削刀具、耐磨件及 高速轧机领域具有广阔应用空间。到 20 世纪 90 年 代，铸渗技术在耐磨件上的研究与开发又有了进一 步的发展。四川联大的王一三 [26] 等人通过控制渗 剂材料的组成，在铸钢件表面形成了一层 4~5 mm 厚的含石墨和 (Fe,Cr) 7C3 的减摩、耐磨材料，使 磨损机制由粘着磨损变为磨料磨损，磨损速率大为 降低，克服了过去渗层中只有合金碳化物而没有自 润滑石墨相的缺点。随着铸渗技术的发展，铸渗应 用领域也发生了较大的变化。当初，人们将铸渗技 术主要应用于铸钢、铸铁件，目的是提高其表面耐 磨、耐蚀、耐高温等性能。目前，许多科研工作者 对 Vacuum Evaporation Pattern Casting ( V -EPC) 铸 渗制备表面复合材料进行了大量的研究，其充分利 用了负压铸渗法和实型铸渗法的优点，其表面质量 和尺寸精度高，可生产形状复杂的零件 [27]。近年
2 制备方法
2.1 热喷涂技术
热喷涂是最常用的金属陶瓷层制备技术，氧乙 炔火焰喷涂最早用来制作金属陶瓷层，但是由于能 量密度低，粒子飞行速度慢，涂层气孔裂纹等缺陷 多，涂层与基体结合强度低，使其发展受到限制。 由于等离子弧高温区的温度可以达到 10 000 K 以 上，能熔化所有的固体物质，所以等离子弧喷涂技 术起初被认为是理想的制作金属陶瓷层技术 。 [14,15] 目前，采用合理的工艺参数喷涂金属陶瓷 NiCrCr3C2 已能获得均匀、致密并以金属陶瓷 Cr3C2 为主 的涂层，涂层与基体结合强度高 [16]，但不管是包 覆型粉末还是烧结型粉末，喷涂后都有不同程度的 脱碳，金属陶瓷 Cr3C2 的脱碳量随着电流增大而增 加 [17]。超音速火焰喷涂是 80 年代发展起来的一种 高速火焰喷涂技术，由于火焰温度低约 3 000 ℃， 速度 1 500 m/s，在喷涂金属陶瓷材料过程中能有 效地抑制和减少碳化物的分解，用其喷涂的涂层具 有结合强度高、致密性好、组织结构均匀的特点，
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金属陶瓷表面复合材料制备技术
李 杨 1 ，李志杰 2
摘要：概述了国内外关于金属陶瓷表面复合材料制备技术的发展状况，介绍了各种制备方法，提出了目前金属陶 瓷表面复合材料制备中存在的问题，并对其应用前景做出了展望。 关键词：金属陶瓷；表面复合材料；制备方法 中图分类号：TQ174.75+8.22 文献标识码：B 文章编号：1673-3355 （2010） 02-0014-04
磨损和腐蚀是许多零件、设备失效的主要形 式，涉及工业、农业、军工等人民生活的各个领 域，它们所导致的经济损失十分惊人，据统计， 每年由于磨损和腐蚀所造成的直接损失约占国民 生产总值的 1%~4% [1]。而其中绝大部分的磨损和 腐蚀都是从材料的表面开始的，因此提高材料表 面耐磨性和耐腐蚀性一直是许多领域需要解决的 重要课题。
1 发展状况
1.1 热喷涂技术
热喷涂技术是表面工程中的关键技术之一， 是表面工程技术的重要基础。热喷涂技术是将熔 融或半熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其 雾化并喷射在零件表面上，形成喷涂层的一种表 面加工方法，它能够赋予表面耐磨、耐蚀、耐高 温以及其它特殊性能 。 [5-7]
1.2 激光熔覆
激光熔覆是目前研究最广泛、最系统的表层
来，铸渗技术的研究已经拓展到了铜合金领域，主 要以杨贵荣 [28] 等人为代表的利用铸渗法对铜合金 表面进行改性，用 Fe 基合金粉末作为渗剂在负压 条件下进行浇注制备出了铜基表面复合材料。
2.5 高能束熔化-注射技术
（1） 激光束熔化-注射技术 DE Hosson [29] 长期采用激光熔覆和激光镶嵌 来制备金属陶瓷层，为了减小粉末的烧损，改变了 粉末注入位置，由原来的注入到激光束中心改为注 入到激光束后部，取得了较好的效果 （见图 2）。
1.5 高能束熔化-注射技术
是借助高能热源，如激光、等离子等热源，在 基体表面产生熔池，同时将熔化的合金粉末注入到 熔池中，当高能热源离开后，熔池迅速冷却凝固将 注入粉末“抓住”形成熔化-注射层的过程。高能 束熔化-注射与激光熔覆、合金化、堆焊等技术本 质区别在于，高能束熔化-注射过程中，外加粉末 直接注入到熔池，而不进入热源，最大的优点是可 以降低碳化物的分解。根据热源不同，目前已有激 光熔化-注射技术、等离子熔化-注射技术等。