火焰噴涂在純銅表面獲得TiO2/Cu梯度涂層的工藝與顯微組織分析

程精濤，郜少波

（1. 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂山 614007； 2. 河北勞動(dòng)關(guān)系學(xué)校， 河北 石家莊 050002）

火焰噴涂在純銅表面獲得TiO2/Cu梯度涂層的工藝與顯微組織分析

程精濤1，郜少波2

（1. 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂山 614007； 2. 河北勞動(dòng)關(guān)系學(xué)校， 河北 石家莊 050002）

利用氧乙炔火焰噴涂工藝，在純銅表面反應(yīng)形成高硬度、高耐磨性的TiO2/Cu梯度復(fù)合涂層。試驗(yàn)結(jié)果表明，火焰噴涂反應(yīng)生成TiO2/Cu梯度涂層為典型波浪狀多層噴涂組織，涂層組織呈梯度連續(xù)變化，梯度層間結(jié)合情況良好，無明顯界面；涂層與基體有明顯的宏觀層間界面，結(jié)合情況較好。火焰噴涂反應(yīng)生成的TiO2/Cu梯度涂層中存在氣孔、夾雜等缺陷。

銅基；火焰噴涂；TiO2/Cu；梯度涂層；性能

梯度功能材料(Functional Gradient Materials，簡稱 FGM)是指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位(1維、2維或者3維)向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型的功能性材料[1]。本文采用的是反應(yīng)生成陶瓷/金屬涂層工藝，通過各元素或是組元間合成新的化合物的方法。

1 銅基TiO2/Cu梯度涂層的制備

1.1 制備方法

目前，F(xiàn)GM制備方法主要分為化學(xué)法與物理法兩大類，本文采用粉末火焰噴涂方法。

1.2 涂層設(shè)計(jì)

本文選用工業(yè)鈦粉、銅粉及石墨粉所組成的復(fù)合粉，由于鈦粉在高溫下，極易與氧、碳進(jìn)行反應(yīng)生成鈦的氧化物和碳化物[2]，因此可以利用火焰噴涂反應(yīng)生成TiC-TiO2/Cu復(fù)合材料。本文梯度涂層(試樣A)設(shè)計(jì)的涂層總層數(shù)為5層，每層的厚度為0.2 mm左右，梯度層的總厚度h為1 mm，梯度成分分布指數(shù)n=1.0，梯度層中不同粉末的含量如表1所示。為了對比研究還設(shè)計(jì)了其他類型的涂層。涂層粉末配比方案如表1所示。

2 銅基TiO2/Cu梯度涂層的顯微組織分析

本文中用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察涂層的橫截面形貌；用掃描電鏡(SEM)觀察涂層的表面形貌及橫截面形貌，并用能譜儀進(jìn)行分析橫截面成分；用X-射線衍射儀(XRD)對涂層的表面(第五層)及第一層進(jìn)行連續(xù)掃描，并計(jì)算涂層中晶粒的大小及各相的相對含量[3]。

2.1 涂層的OM分析

圖1所示為試樣A、B、D的涂層的截面在OM下的形貌(×100倍)。圖1a)所示為五層TiO2/Cu梯度涂層的截面形貌。涂層為典型的波浪狀多層噴涂組織，整體結(jié)構(gòu)良好，缺陷少。圖 1b)所示為兩層TiO2/Cu梯度涂層的截面形貌。涂層之間組織變化較明顯，但沒有確定界面缺陷較多。圖1c)所示為單層TiO2陶瓷涂層的截面形貌。涂層的組織缺陷多。

表1 對比試驗(yàn)涂層的噴涂粉成分及涂層厚度Table 1 Composition of the sprayed powder and thickness for compared specimens the coating

圖1 涂層的截面顯微組織照片(×100)Fig.1 Microstructures of the cross-section for coating (×100)

2.2 涂層的SEM分析

圖2所示為火焰噴涂反應(yīng)生成TiO2/Cu梯度涂層的表面SEM形貌，圖2a)為低倍，圖2b)為高倍。可以看出反應(yīng)生成 TiO2涂層表面是由大小不一的球形顆粒組織形成。由于大顆粒往往反應(yīng)得不夠充分，顆粒內(nèi)部有未反應(yīng)得粉末，可能會(huì)造成夾生，縮松等缺陷，這些大顆粒的存在會(huì)對涂層的性能產(chǎn)生不利的影響。

圖2 TiO2/Cu梯度涂層的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of the TiO2/Cu gradient coating

圖3 涂層與基體的界面橫截面形貌與對應(yīng)的能譜分析Fig.3 Cross-sectional morphologies and EDAX patterns of the interface between the TiO2/Cu gradient coating and the substrate

圖3所示為TiO2/Cu梯度涂層與基體的界面橫截面形貌與對應(yīng)的能譜分析，表 2所示為 TiO2/Cu梯度涂層與基體的界面能譜成分分析結(jié)果(深色區(qū)域)。結(jié)果顯示梯度涂層中有 Ni、Al元素，表明涂層與粘結(jié)底層發(fā)生局部冶金結(jié)合。

表2 TiO2/Cu梯度涂層涂層與基體的界面能譜成分分析結(jié)果(深色區(qū)域)Table 2 Data of EDAX for split(the side of coating)

2.3 涂層的XRD分析

圖4所示為陶瓷/金屬梯度涂層表面的XRD衍射圖譜，圖 4a)所示為表面層，涂層中主要有金紅石型 TiO2(38.5%)和銳鈦型 TiO2(8.8%)及低價(jià)鈦的氧化物TiO(35.5%)和Ti3O(17.1%)，銳鈦型TiO2的含量較少，圖譜中未能顯示。另外，涂層中也未見TiC以及碳的化合物，Ti粉完全被氧化，石墨粉完全助燃。圖4b)所示為試樣A的涂層第一層的XRD衍射圖譜。涂層中主要成分是 Cu(50%)和TiO2(6.25%)，TiO2含量少，圖譜中未顯示。

根據(jù)Scherrer公式[4]計(jì)算結(jié)果，反應(yīng)生成的TiO2陶瓷顆粒的平均尺寸為35.77 nm，Cu的平均尺寸為27.94 nm。

圖4 TiO2/Cu梯度涂層的XRD衍射圖譜Fig.4 XRD patterns of the TiO2/Cu gradient coating

2.4 涂層截面的顯微硬度

圖5 涂層截面的顯微硬度曲線Fig.5 Microhardness distribution of the coatings

圖5所示為試樣A、試樣B和試樣D的涂層截面的顯微硬度分布，從圖中可以看出，基體材料紫銅的顯微硬度平均值在70HV0.1左右，TiO2/Cu梯度涂層的表面層的顯微硬度平均值達(dá)到了1187HV0.1。試樣A是五層的TiO2/Cu梯度涂層，它的顯微硬度隨著鈦化物的減少，呈梯度減少的，另外顯微硬度在梯度下降的過程中有一定得漲落現(xiàn)象，這是由于噴涂層的多孔及層狀結(jié)構(gòu)造成的[5]；試樣B是兩層的TiO2/Cu梯度涂層，它的顯微硬度也隨著鈦化物的減少而減少的，只是在兩層梯度層之間緩慢減少，在涂層與基體之間減少的幅度較大；試樣D是單層的TiO2陶瓷涂層，它的顯微硬度在涂層和基體之間直線下降。

3 結(jié) 論

（1）火焰噴涂反應(yīng)生成TiO2/Cu梯度涂層的相組成主要是TiO2、TiO和Ti3O。

（2）TiO2/Cu梯度涂層為典型噴涂層的波浪狀多層梯度組織，涂層組織較致密，梯度層間結(jié)合情況良好，梯度層與基體間的結(jié)合情況較好。

（3）梯度涂層中Ti元素的含量從第一層到第五層(涂層表面)逐漸增加，而Cu的含量變化趨勢則相反。

（4）TiO2/Cu梯度涂層的截面顯微硬度值從涂層表面到基體呈下降趨勢。由于噴涂層的多孔及層狀結(jié)構(gòu)使得涂層得顯微硬度有一定得漲落現(xiàn)象。

［1］黃敬東,吳俊,王銀平,等.梯度功能材料的研究評述[J].材料保護(hù),2002, 35(12):8-12.

［2］李榮久.陶瓷－金屬復(fù)合材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004:12-13.

［3］魏廣玲.鋁合金表面激光熔覆銅基合金涂層研究[D].大連：大連理工大學(xué),2010:7.

［4］梁志德,王福.現(xiàn)代物理測試技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003:96.

［5］支歆.高性能陶瓷熱噴涂料制備與性能研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué),2010:7

Process and Analysis of Microstructure of TiO2/Cu FGC by Flame Spraying

CHENG Jing-tao1，GAO Shao-bo2
（1. Chengdu University of Technology, Sichuan Leshan 614007，China；2. Hebei Vocational College of Labor Relations, Hebei Shijiazhuang 050002，China）

The reactive TiO2/Cu FGC with a gradual compositional variation from Cu substrate to TiO2ceramic surface was made by flame spraying. Experimental results show that the reactive TiO2/Cu FGC made by flame spraying presents a typical wavy multi-layer structure, the coating is gradually transited along the direction of the coating and the bond among the gradient layers, without distinct interfaces. The bond between the coating and the substrate is also well, but there is distinct macro-interface between them. There are small defects in the reactive TiO2/Cu FGC, such as gas hole, impurity, and so on.

Copper; Flame spraying; TiO2/Cu; Gradient coating; Performance

TG178

A

1671-0460（2015）08-1905-03

2015-05-04

程精濤（1981-），男，河北邢臺人，講師，碩士，2006畢業(yè)于河北科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，研究方向：材料成型新工藝研究。E-mail：chjt34@163.com。