火焰喷涂在纯铜表面获得TiO2/Cu梯度涂层的性能分析

程精涛 郜少波

摘 要：利用氧乙炔火焰喷涂工艺，在纯铜表面反应形成高硬度、高耐磨性的TiO2/Cu梯度复合涂层。分析了涂层的结合性能，发现多层涂层更有优势。分析了涂层的摩擦磨损性能，发现涂层的耐磨性优于GCr15，并且涂层的硬度越高越耐磨。

关 键 词：铜基；TiO2/Cu；梯度涂层；耐磨性能

中图分类号：TG 115 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1473-04

Analysis of Performance of TiO2/Cu FGC Prepared by Flame Spraying

CHENG Jing-tao1，GAO Shao-bo2

（1. College of of Engineering and Technology，Chengdu University of Technology， Sichuan Leshan 614007，China；

2. Hebei Vocational College of Labor Relations， Hebei Shijiazhuang 050002，China）

Abstract： The reactive TiO2/Cu FGC with gradual compositional variation from Cu substrate to TiO2 ceramic surface was prepared by flame spraying. Combining properties， friction and wear properties of the coating were analyzed. The results show that multilayer coating has more advantages； the wear resistance of the coating is better than that of GCr15， and the higher the hardness of the coating， the better the wear resistance.

Key words： Copper； TiO2/Cu； Gradient coating；Wear property

梯度功能材料（Functional Gradient Materials，简称FGM）按用途分为两类：一类是工程结构用梯度材料，要求材料的力学性能、热学性能和化学稳定性等；另一类是特殊功能梯度材料，要求材料的电气、光学、磁、声学及生物工程等功能。

目前梯度材料包括：金属/金属类、金属/陶瓷类、陶瓷/陶瓷以及金属/非金属类等。本文采用的是反应生成陶瓷/金属涂层工艺，通过各元素或是组元间合成新的化合物的方法。

1 TiO2/Cu梯度涂层的获得

借助梯度功能涂层的原理，利用氧乙炔火焰喷涂技术，结合实验室的实际情况，以铜粉、石墨和钛粉为原料，在紫铜的表面反应生成硬度、耐磨性、耐蚀性等性能均高于基体（铜）的钛化物陶瓷梯度涂层，从而得到一种新的铜基复合材料目前，FGM制备方法主要分为化学法与物理法两大类，本文采用粉末火焰喷涂方法。

本文选用工业钛粉、铜粉及石墨粉所组成的复合粉，由于钛粉在高温下，极易与氧、碳进行反应生成钛的氧化物和碳化物[1]，因此可以利用火焰喷涂反应生成TiC-TiO2/Cu复合材料。本文梯度涂层（试样A）设计的涂层总层数为5层，每层的厚度为0.2 mm左右，梯度层的总厚度 为1 mm，梯度成分分布指数=1.0，梯度层中不同粉末的含量如表1所示。为了对比研究还设计了其他类型的涂层。本文涂层粉末配比方案如表1所示。

2 铜基TiO2/Cu梯度涂层的结合性能分析

本文中利用三点弯曲试验定量的测量了涂层弯曲破坏时的最大弯曲力，通过计算得出了涂层的抗弯强度。

图1所示为涂层的三点弯曲试验负荷-挠度曲线。可以看出：除试样D（单层TiO2陶瓷涂层）以外，其它复合材料的断裂过程均为：在逐渐加载过程中，复合材料迅速经过弹性变形阶段；当载荷达到涂层材料的强度极限（即最大拉力）时，涂层断裂或剥落，载荷迅速下降；继续加载，材料发生弹性变形。试样D的三点弯曲试验负荷-挠度曲线略有不同：当载荷达到涂层材料的强度极限（即最大拉力）时，涂层断裂或剥落，载荷没有下降。

表1 对比试验涂层的喷涂粉成分及涂层厚度

Table 1 Composition of the sprayed powder and thickness of compared specimens of the coating

层数 第1层 第2层 第3层 第4层 第5层

成分配比（Ti+C∶Cu） 20∶80

（12∶88） 40∶60

（27∶73） 60∶40

（45∶55） 80∶20

（69∶31） 100

涂層

厚度

/mm 试样A 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

试样B — 0.2 — — 0.2

试样C — 0.2 0.2 — —

试样D — — — — 0.2

试样E — — 0.2 — —

试样F 0.2 — — — —

试样G — — — — 0.5

试样H — — — — 1.0

试样I — 0.5 — — 0.5

注：表中成分配比中的数值为体积分数之比，括号内数值为质量分数之比

图3所示为试样D、F的磨痕形貌。两种材料的磨痕形貌有着明显的区别，TiO2强化的铜基复合涂层的磨痕很宽，表面较粗糙，沿磨削运动方向的梨沟清晰可见（见图3b）；而TiO2陶瓷涂层的磨痕很窄，表面相对较光滑，呈不规则的鳞片状裂纹（见图3a）。

图3a）所示为TiO2陶瓷涂层的磨痕形貌，可以看出，涂层表面有轻微的塑性变形引起的网状裂纹和少量的不连续梨沟。裂纹沿磨削方向呈放射状平铺，这预示着TiO2陶瓷涂层的硬度高于GCr15钢，表明干摩擦过程中发生了粘着磨损。由于涂层的脆性很大，在压应力和拉应力的反复作用下，脆性涂层易产生微裂纹，并沿层间扩展造成涂层的断裂和剥离，对其耐磨性不利，但在平稳加载试验条件下，尚未造成TiO2陶瓷涂层的大片剥落[3]；少量的不连续梨沟是涂层中的夹杂在载荷的作用下拔出，形成磨粒，对涂层挤压所产生。表明干摩擦中发生轻微磨粒磨损[4]。

图3b）所示TiO2强化铜基复合涂层的磨痕形貌。可以看出，表面有明显梨沟及较大的塑性变形，梨沟与塑性变形均沿摩擦幅相对运动的方向，不连续。这表明，涂层的摩擦方式为磨粒磨损与粘着磨损。这是由于软的铜基体中加入的TiO2相的硬度较高，与对偶件接触后，摩擦幅表面的微凸体在载荷的作用下发生微观切削，造成材料的去除，形成一次切屑。剥落的硬质颗粒还作为磨料，对涂层中软的铜基体进行挤压和梨削，使磨粒磨损趋势加剧[5]。

a）试样D b） 试样F

图3 涂层的磨痕表面形貌

Fig.3 Surface morphologies of the coating worn

4 结 论

主要结论如下：

（1）单层的反应生成TiO2陶瓷涂层的抗弯强度比反应生成TiO2强化铜基涂层低，其韧性也较差；带有反应生成TiO2陶瓷涂层的梯度涂层的抗弯强度也因单层的反应生成TiO2陶瓷涂层的抗弯强度低，受到影响，数值较低；五层的TiO2/Cu梯度涂层的厚度最大，但其抗弯强度及断裂挠度并不是最低值，显示出多层梯度涂层性能的优越。

（2）反应生成TiO2/Cu梯度涂层表面层（即反应生成TiO2陶瓷涂层）的磨损失重量与TiO2强化铜基涂层及GCr15钢相比在相同时间内最小，说明其耐磨性优于TiO2强化铜基涂层及GCr15钢。

（3）研究涂层的磨痕形貌，表明反应生成TiO2/Cu梯度涂层表面层（即反应生成TiO2陶瓷涂层）的磨损形式为粘着磨损和轻微磨粒磨损；涂层的耐磨性与涂层的硬度有直接的关系，硬度越高，耐磨性越好。

参考文献：

[1] Y Guu ， J F Lin ， C F Ai . The Tribological Characteristics of Titanium nitride， Titanium Carbonitride and Titanium Carbide Coatings[J]. The Solid Films， 1997， 302：193-200.

[2] 张本，肖国平，肖金生，等.陶瓷/金属复合耐磨涂层的性能评价[J].武汉理工大学学报，2002， 24（6）：4-7.

[3] 段德莉，李曙，张荣禄，等.三种热喷涂涂层耐磨性能的研究[J].摩擦学学报，2002， 22（5）：352-355.

[4] 龚江宏.陶瓷材料断裂力学[M].北京：清华大学出版社，2001：113

[5] 冯文然.反应等离子喷涂纳米TiN涂层的研究[D].天津：河北工业大学工学，2004：1.

（上接第1472页）

但改性水玻璃的羟基吸收峰较尖，为3 450～3 400 cm-1，而普通水玻璃的羟基吸收峰较宽，为3 600～3 400 cm-1，这是由于改性剂中含有羧基（-COOH）和含有碳碳雙键羰基（C=C）极性官能团，可与聚硅酸分子表面上的硅羟基形成了氢键，由于氢键的吸附作用，使改性后的水玻璃形成了更多的分子间缔合羟基（3 550～3 200 cm-1）的结果。而改性剂的极性官能团可借助氢键吸附于水玻璃凝胶胶粒表面，形成的高分子保护层有限制凝胶胶粒的长大的作用，从而获得细小的水玻璃凝胶胶粒，达到提高粘结强度的目的，与实验结果相符。

3 结 语

本文基于给排水工程对水玻璃进行了复合改性的试验研究，结果发现：复合改性剂可显著提高水玻璃的粘结强度，当复合改性剂双组份质量比为1∶1，加入量为2%时，球团抗压强度可达2.75 kN/个；红外光谱分析表明双组份改性剂与水玻璃并未发生实质性的化学反应，仅形成了混合溶液。

参考文献：

[1]刘军，樊自田，王继娜. 水玻璃改性对水玻璃砂再生循环使用性能的影响[J]. 铸造，2006（1）2：1287-1290.

[2]王奉强，隋芳，廖恒，隋淑娟. 硅酸盐改性木材的力学与阻燃性能[J]. 消防科学与技术，2014（06）：688-690.

[3]单长兵，刘元雪. 水玻璃改性聚氨酯注浆料的性能研究[J]. 建筑科学，2011（09）：48-51.

[4]王桂芹，陈峰，程骥. 新型水玻璃改性剂（LiOH）的研究[J]. 铸造，1996（09）：19-22.

[5]魏金宇，张希俊，谈剑，张方. 脉冲电流对水玻璃改性的影响[J]. 铸造，2015（01）：50-54.

[6]张永平，程宽中. 水玻璃改性剂改性机理的探讨[J]. 铸造技术，1998（06）：42-44.

[7]张永平，程宽中，魏立军. 新型水玻璃改性剂的研究[J]. 铸造技术，1999（03）：34-36.

[8]屈银虎. 复合改性水玻璃的研究[J]. 西安工程科技学院学报，2002（04）：330-332.

[9]龙礼建. 概述改善水玻璃砂溃散性的方法[J]. 大型铸锻件，2000（01）：48-51.