淺析顆粒增強復合涂層強化機制與組織性能研究現(xiàn)狀
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作者：鄭曉敏
由于航空發(fā)動機氣缸活塞、艦艇傳動齒輪等摩擦構(gòu)件易發(fā)生磨損，其安全可靠性降低，因此通過制備硬質(zhì)顆粒增強復合涂層，將增強顆粒的高強度、高硬度和金屬基體強韌性結(jié)合起來，達到強化零部件表面的目的。復合涂層材料體系中，硬質(zhì)顆粒、基體及兩者間界面對材料組織性能影響顯著。本文敘述了硬質(zhì)顆粒增強復合涂層強化機制，綜述了復合涂層組織性能研究進展，展望了其發(fā)展趨勢。
1增強顆粒特性的影響
增強顆粒特性包括顆粒種類、含量、尺寸、形狀、分布狀態(tài)等，這些將直接影響復合涂層的增強效果。具體表現(xiàn)在：①不同種類增強顆粒的物化性質(zhì)、力學性能等存在差別，應結(jié)合實際工況與增強顆粒的特性選擇顆粒種類；②增強顆粒含量通常存在最佳范圍，含量較低時難以起到耐磨強化作用；但含量過高反而會導致脆性斷裂脫落；③顆粒尺寸是影響增強效果的重要因素，尺寸較小時，增強顆粒能起到良好的強化作用，但小顆粒的表面能高，易發(fā)生團聚；而顆粒過大則會削弱結(jié)合界面，降低綜合性能；④不同顆粒形狀將引起應力大小和分布差異，平滑增強顆粒受載時應力分布均勻，而含尖角的增強顆粒易產(chǎn)生尖端應力集中，導致萌生裂紋；⑤增強顆粒分布狀態(tài)決定其能否阻礙摩擦變形，均勻分布的陶瓷顆粒可改善局部力學性能，起到耐磨強化作用。
2基體微觀組織與性能的影響
2.1 細晶強化
加入增強顆粒既能抑制基體晶粒生長，還能作為異質(zhì)形核核心提高形核率，減小晶粒尺寸�；w晶粒細化會增加晶界長度，阻礙位錯運動，晶粒越細，強化作用越明顯，可由Hall-Petch公式表示如下：
可見，Orowan強化機制主要受顆粒大小及顆粒間距的影響，對于顆粒粒徑較大或間距過大的復合材料可以忽略。
2.3 熱錯配強化
增強顆粒的熱膨脹系數(shù)通常小于基體，兩者在溫度變化過程中的熱變形程度不同，將產(chǎn)生熱失配應力，增大顆粒周圍基體中的位錯密度而引起的屈服強度增量可表示為：
其中：Vp為增強顆粒體積分數(shù)；是，為常數(shù)；Aa為熱膨脹系數(shù)差；AT為溫差。
可見，在配方設計中應考慮增強顆粒與基體的熱物性差異，合理設計復合涂層配方。
3增強顆粒／基體界面特性的影響
3.1 界面組織與性能
增強顆粒／基體界面的微觀組織和物相組成影響兩者間的結(jié)合強度、界面硬度和彈性模量等性能。研究發(fā)現(xiàn)：SiC顆粒/Al基體間存在兩種界面：一種是厚度為3 nm的晶態(tài)Si界面層，在其附近生成細小Al4C3相；另一種是厚度為5 nm的非晶Si()2界面層，阻礙Al4C3脆性相的生成，改善界面潤濕性。Zhang等研究表明：WC／Fe復合涂層中WC顆粒邊緣發(fā)生局部溶解，形成厚為0. 15 mm～0.3 mm含F(xiàn)e3 W3C、M23G等碳化物的冶金擴散層，有利于改善結(jié)合強度。Gu等用激光燒結(jié)技術(shù)制備的Ni顆粒增強Cu基復合材料以Ni顆粒為形核核心，其與Cu基體在界面處形成CuNi固溶體層，兩者間形成連續(xù)的結(jié)合界面；復合材料斷口呈明顯的韌性斷裂特征，Ni增強相的納米硬度為1. 82 GPa，高于Cu基體(0. 99 GPa～1. 35 GPa)，強化效果顯著。
3.2 界面相形成機理與生長規(guī)律
界面相是增強顆粒與基體通過化學反應和元素擴散形成的，其形成過程可分為4個階段：溶解與擴散階段、金屬間化合物形核階段、金屬間化合物生長階段、固相擴散階段。
蔣淑英等研究了Al-Ti擴散偶界面擴散層的形成規(guī)律與機理，在800℃條件下，隨著擴散時間的增大，其擴散層厚度先呈直線上升趨勢，然后變?yōu)閽佄锞�上升，且擴散層厚度的增加速率逐漸降低；擴散層為TiAl3相和含少量Ti的Al固溶體混合組織。研究發(fā)現(xiàn)：TiC-TiB2／Al復合材料中的TiC、TiB2與Al界面間均存在富Ti區(qū)，而鋁液中Si、Mg、Cu等元素均能與顆粒表面的Ti原子反應，導致TiC界面無法形成富Ti過渡區(qū)而產(chǎn)生組織粗化。
3.3界面微觀應力數(shù)值模擬
張鵬等建立了基于微觀組織的SiC顆粒與鋁合金基體間界面模型，分析了界面層厚度對復合材料性能的影響。隨著界面層厚度的增加，復合材料性能變化不明顯；而在強界面條件下，SiC顆粒承受的應力增大，流變應力隨著界面層厚度的增加而增大。姚戰(zhàn)軍等建立了橢圓形顆粒增強鎳基合金復合材料的應力場模型，模擬結(jié)果顯示受載時的最大應力出現(xiàn)在顆粒中，而基體中的最大應力位于其與顆粒上部的結(jié)合界面區(qū)，在與拉伸方向垂直的顆粒短軸附近應力最�。w粒間的應力相對基體中其他區(qū)域較大。
3.4界面特性對復合材料性能的影響
Wang等先利用CVD方法在Al2 03顆粒表面鍍Ni和TiN涂層，再用含鍍層顆粒制備Al2 03/耐熱鋼復合材料，研究了鍍層對顆粒與基體間界面粘結(jié)強度和抗氧化性的影響。結(jié)果表明：含Ni和TiN鍍層的顆粒與基體間界面粘結(jié)強度分別達到4. 05 MPa和1. 80 MPa，分別為無鍍層時的5.79倍和2.57倍。由于Ni與Fe間的擴散溶解明顯，含Ni鍍層的復合材料界面抗氧化性能強于TiN鍍層。Vianko[s]等采用熱浸鍍法在Ag基體表面制備了Sn涂層，發(fā)現(xiàn)Sn元素含量控制界面處Ag的熔解厚度對界面層厚度產(chǎn)生較大影響。
李燁飛等以WC-TiC-Co硬質(zhì)合金作為增強顆粒，采用負壓鑄滲工藝制備了顆粒增強復合材料，在增強顆粒與基體金屬界面處出現(xiàn)了WC、W2C等溶解相和Fe3 W3C、C03 W3C等化合物，形成了冶金結(jié)合，降低了增強顆粒與基體間硬度、強度等性能變化梯度，使復合材料的耐磨性較基體材料提高了3.5倍。對激光熔覆復合涂層中WC增強顆粒與Fe基體間的界面研究表明：WC顆粒邊緣發(fā)生部分溶解，并出現(xiàn)圓化現(xiàn)象，其與Fe基體間形成6.6um的界面反應層，改善了兩者間的熱物性和力學性能差異，其耐磨性較基體提高了18倍。
4 總結(jié)與展望
隨著科學技術(shù)的進步和機械裝備工況條件的不斷提高，對顆粒復合涂層材料的需求升高，增強顆粒增強復合涂層材料以其優(yōu)異的力學和摩擦學性能，必將在機械裝備的表面強化領(lǐng)域獲得廣泛應用。
5摘要：從增強顆粒特性、基體材料組織性能、增強顆粒／基體界面特性3個方面敘述了顆粒增強復合涂層強化機制，綜述了顆粒增強復合涂層組織和性能研究進展，展望了其發(fā)展趨勢。
