复合粉末的分类与应用——以镍铝复合粉末为例

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：复合粉末是由两种或两种以上不同性质的固相物质颗粒经机械团聚而非合金化所形成的颗粒，分为团聚复合粉末、包覆复合粉末和烧结复合粉末。用镍铝复合粉末喷涂的涂层十分致密，孔隙率低，气密性好，导电性较好，无磁性。喷涂时，在Al的熔点附近，Ni、Cr和Al发生强烈的放热反应，生成3Al型金属间化合物，显著地提高了涂层与基体的结合强度，在Q235钢基体上等离子喷涂涂层的结合强度可达MPa，比Ni-Al复合粉末喷涂层更高。

复合粉末是由两种或两种以上不同性质的固相物质颗粒经机械团聚而非合金化所形成的颗粒，分为团聚复合粉末、包覆复合粉末和烧结复合粉末。其涂层具有基相材料和复合相材料的共同特点。

复合粉末材料的组分有：金属+合金、金属+陶瓷、金属+金属陶瓷、陶瓷+陶瓷、金属+塑料、陶瓷+塑料等，包括大多数固态工程材料的粉末。由于组分或比例的不同，于是衍生出各种功能不同的复合粉末，可获得单一材料无法比拟具有优良综合性能的涂层，是热喷涂行业内品种最多、功能最广、发展最快、应用范围最广的涂层材料。其主要特点如下：

1）采用适当的制造方法制备出具有不同功能的涂层，如硬质耐磨、减摩自润滑、可磨耗密封、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、隔热、热辐射、导电、绝缘、生物功能、防辐射、抗干扰等。

2）具有单一颗粒的非均质性与粉末整体的均质性的统一。

3）包覆粉末的芯核粉末受到包覆层的保护，热喷涂工艺过程中可避免或减少元素的氧化烧损、热分解，保持芯核颗粒的几何形状和晶体结构，从而获得高质量的涂层。

4）有利于提高涂层颗粒与基体表面的结合强度和涂层颗粒之间的结合强度。

复合粉末材料的制备方法有：液相沉积法、气相沉积法、料浆喷雾干燥法、熔炼雾化法、烧结-破碎法等。

1.自黏结复合粉末

自黏结复合粉末是指热喷涂工艺过程中，能够发生化学反应，生成金属间化合物，释放出大量的热，将基体表面加热到接近熔融状态，促进融熔颗粒与基体表面形成微区冶金结合的复合粉末材料。

自黏结复合粉末，主要用作阶梯涂层的打底层，提高涂层，特别是陶瓷涂层与基体之间的结合强度，涂层与涂层之间的结合强度，降低涂层的孔隙率，也可直接用作耐磨涂层。自黏结复合粉末有Ni-Al复合粉末、NiCr-Al复合粉末、M（Ni、Co、Fe、Ni-Co）CrALY复合粉末、Ni-P复合粉末等。

（1）镍铝复合粉末镍铝复合粉末材料有镍包铝复合粉末、铝包镍复合粉末两类，其每个微细颗粒都是由一种包覆另一种而组成。用镍铝复合粉末喷涂的涂层十分致密，孔隙率低，气密性好，导电性较好，无磁性。是应用最广的自黏结底层材料，也是一种理想的中间涂层材料。

镍铝复合粉末适应在各种碳素钢、不锈钢、淬火的合金钢、渗氮钢、铸铁、镍铬合金、蒙乃尔合金、科伐尔合金（一种Fe-Ni-Co共膨胀合金）、铝、镁、钛、铌基体材料表面喷涂制备自黏结涂层。不适合用作铜合金、金属钼、金属钨和酸性、碱性和中性盐电解质溶液中服役涂层的黏结底层。其常用粉末材料的化学成分和物理性能、等离子喷涂层性能见表3_-231～表3-233。

表3-231 常用镍铝复合粉末材料的化学成分

表3-232 常用镍铝复合粉末的物理性能

表3-233 镍铝复合粉末涂层的物理性能

（2）镍铬铝（Ni-Cr-Al）复合粉末它是自黏结型抗高温氧化复合粉末，结构为铝包镍铬。喷涂时，在Al的熔点附近，Ni、Cr和Al发生强烈的放热反应，生成（Ni-Cr）3Al型金属间化合物，显著地提高了涂层与基体的结合强度，在Q235钢基体上等离子喷涂涂层的结合强度可达（37.3±11.4）MPa，比Ni-Al复合粉末喷涂层更高。镍铬铝复合粉末具有优异的抗高温氧化性能，能直接承受982℃的高温氧化，膨胀系数与耐热合金的膨胀系数相近，是良好的抗高温陶瓷涂层的自黏结底层材料。主要化学成分和涂层物理性能见表3-234。

表3-234 主要化学成分和涂层物理性能

注：T为粉末火焰喷涂涂层，P为等离子喷涂涂层。

（3）塑料+不锈钢复合粉末它是由塑料粉末和不锈钢粉末复合而成的粉末，用作塑料基体上喷涂高熔点金属、陶瓷或金属陶瓷涂层的黏结底层材料，以使涂层与基体塑料有良好的黏结强度。由于塑料基质相流平性好，不锈钢颗粒镶嵌在塑料涂层基质相中形成粗糙表面，为表面层涂层提供比较理想的“锚固”效应。

塑料+不锈钢复合粉末涂层能使塑料保持优异的耐化学腐蚀性能的同时，赋予其表面导电性、耐磨性、耐热性等功能，形成塑料基体表面喷涂金属、陶瓷或金属陶瓷的新型复合材料。采用等离子喷涂和粉末火焰喷涂涂层的性能见表3-235。

表3-235 塑料加不锈钢复合涂层性能

（4）一步法自黏结复合粉末一步法自黏结复合粉末是指涂层同时具有自黏结性能、结合强度高和表面涂层的功能性的复合粉末。其特点是对基体材料表面的预处理要求低，涂层结合强度高、致密，孔隙率低。可制备抗黏着磨损、冲蚀、微动磨损、减摩润滑、耐蚀等涂层。主要类型有：耐磨粒磨损、黏着磨损涂层和碳素钢件恢复尺寸的不锈钢型一步法自黏结复合粉末；耐磨粒磨损、抗黏着磨损涂层和钢质零件恢复尺寸的合金钢（硬型）一步法自黏结复合粉末；软轴承涂层、硬面涂层和铜合金件恢复尺寸的铝青铜型一步法自黏结复合粉末。主要粉末材料牌号的化学成分及粒度范围和典型涂层的物理性能见表3-236和表3-237。

表3-236 主要粉末材料牌号的化学成分及粒度范围

表3-237 典型涂层物理性能

2.硬质耐磨复合粉末

它是用不同的组分和配比的陶瓷、金属陶瓷粉末颗粒作硬质相，金属或合金粉末作黏结相或为包覆形式的复合粉末材料。其涂层结构为强韧金属或合金涂层基相中弥散分布硬质相的颗粒，因而具有优异的耐磨粒磨损、抗冲蚀、耐微动磨损等功能。基质相和弥散相材料的性能、基质相和弥散相颗粒之间的浸润性、弥散硬质相颗粒的数量、颗粒的粒度、形状及分布状况等综合因素直接影响硬质耐磨复合粉末涂层的性能。结构形式有包覆型、团聚型和烧结型。几种金属对碳化物颗粒润湿角的关系见表3-238。

表3-238 几种金属对碳化物颗粒润湿角的关系

（续）

粉末品种有钴包碳化钨、烧结钴-碳化钨、自黏结性碳化钨、镍包碳化物、镍铬-碳化铬高温耐磨、耐高温冲击磨损镍基碳化钨等复合粉末材料。通常采用等离子喷涂、等离子喷焊、真空等离子喷涂、爆炸喷涂、高速粉末火焰喷涂制备磨粒磨损、冲蚀磨损、微动磨损、耐高温磨损涂层。主要粉末牌号的化学成分和物理性能见表3-239和表3-240。

表3-239 主要粉末牌号的化学成分及粒度范围

（续）

表3-240 典型涂层的物理性能

复合粉末的分类与应用——以镍铝复合粉末为例

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