关键词：
等离子喷涂
TiO2-x陶瓷
Cu/TiO2-x涂层
组织结构
载流摩擦磨损
摘要：
载流摩擦副作为装备相对运动表面间传递电能信号和控制信号的特殊电接触元件,对装备的安全高效运行至关重要。在金属材料中复合耐磨陶瓷相可实现摩擦学性能和载流质量的协同提升,但普通陶瓷颗粒由于导电性差会显著降低复合材料的电学性能。Magnéli相亚氧化钛陶瓷(TiO)除了拥有高的耐磨性、耐蚀性外,还具备类金属导电特性,是载流摩擦副陶瓷金属复合材料的理想增强相。然而,传统的TiO陶瓷材料制备工艺复杂、成本较高,同时还存在过度烧结和粒子团聚等问题。利用高温等离子射流中的强还原性介质H原位反应合成TiO导电陶瓷并将其复合制备到装备零部件表面,可保证部件整体导电性并提升其表面耐磨性,为其长寿命服役提供了重要技术方案。本文的目标是探索制备一种新型TiO陶瓷-金属复合导电耐磨涂层。为此,首先开展不同工艺条件下TiO转化合成TiO的试验研究,探明发生在等离子射流中的理化反应及TiO涂层的形成机制。然后,基于TiO团聚粉体结构对TiO涂层微观结构与性能影响的研究,设计合成纳米级TiO颗粒包覆微米级Cu颗粒的Cu-TiO核壳结构粉体,获得陶瓷-金属网状互联结构的Cu/TiO复合涂层的可控制备,系统研究Cu/TiO涂层内在构筑机理和组织结构,测试其力学、电学和摩擦学性能,为高性能Cu/TiO陶瓷金属涂层的开发与应用提供新的思路和科学依据。（1）结合理论分析与试验表征,发现熔滴的熔化状态随着喷涂功率的增大明显改善。熔滴撞击基体后铺展形貌从低喷涂功率条件下的破碎状、熔化不佳逐渐转变为较高喷涂功率条件下的放射状、花瓣状和圆盘状。随后,分析了不同喷涂功率条件下的熔滴铺展特性与涂层微观组织,揭示了TiO涂层的成形机理。最后,研究了等离子射流中工作气体H主导的TiO脱氧反应和卷吸气体O主导的TiO重氧化反应的竞争作用机制。（2）通过粉体材料配比设计合成了纳米TiO团聚、微米TiO团聚和纳米/微米TiO复合团聚粉体,以此为喷涂原料制备了不同结构TiO涂层。研究发现,TiO团聚粉体结构对TiO涂层的微观结构、力学、电学和摩擦学性能影响显著。微米级TiO颗粒含量的增加使得TiO涂层中更多的TiO相转化为TiO相,但由于涂层内部缺陷数量增多、孔隙率增大,涂层成形质量变差。TiO涂层的硬度和电导率随着微米级TiO颗粒含量的增加呈下降趋势,下降幅度分别为9.1%和61.7%,但复合涂层表现出增强的开裂韧性、结合强度和耐磨性,其中涂层B75的韧性(0.98 MPa·m)、强度（44.0 MPa）最高,耐磨性也最好。（3）设计合成了纳米级TiO颗粒包覆微米级Cu颗粒的Cu-TiO核壳结构粉体。利用超声分散、调整料浆PH值的方法使得纳米级TiO颗粒均匀分散在了料浆中;使用分散剂PAANH对微米级Cu颗粒进行表面改性起到了良好的静电稳定作用和空间位阻效应,提高了Cu颗粒在料浆中的分散稳定性;加入乳化剂可以增大料浆粘度,进而提升Cu颗粒的稳定悬浮性。研究了喷雾造粒过程中分散剂、粘结剂以及固含量等料浆成分对Cu-TiO粉体包覆效果、粒径和松装密度等的影响,形成了面向等离子喷涂的Cu-TiO核壳结构粉体稳定制备工艺。（4）基于以上Cu-TiO核壳结构粉体设计,通过调控喷涂工艺参数成功获得了陶瓷-金属网状互联结构的Cu/TiO复合涂层。采用Spray Watch-2i在线监测了熔滴在等离子射流中的飞行特性,并结合熔融指数（M.I.）定量分析了熔滴的熔化状态。对不同喷涂功率条件下熔滴铺展凝固特征以及涂层组织结构进行了详细表征,发现了Cu/TiO复合涂层物相包括单质Cu、TiO、TiO、Ti和Cu的氧化物以及Cu和Cu O为主的非晶相,随着喷涂功率的增大,涂层中TiO相、Ti和Cu的氧化物相含量增多,而非晶相含量减少,揭示了Cu/TiO涂层的内在构筑机理,并分析了基体表面温度对Cu/TiO复合涂层微观组织的影响。（5）进一步研究了Cu/TiO复合涂层组织结构对其力学、电学和摩擦学性能的影响。当喷涂功率从41.4 k W增大到54.0 k W时,Cu/TiO复合涂层的硬度从399 HV0.5增大到了637 HV0.5,而开裂韧性和电导率分别从1.25 MPa·m和4.7×10～6 S/m下降到了0.92 MPa·m和1.1×10～6 S/m。Cu/TiO涂层在载流条件下的摩擦系数随着喷涂功率的增大而增大,但磨损程度相对减弱。在不同载流条件下,Cu/TiO涂层的摩擦系数和磨损率均呈现出先减小后增大的趋势。电流的增大虽然导致接触表面粗糙度的增加,但载流条件下涂层基体材料体积损失相对较小,这主要和接触表面磨屑数量的增多以及多晶结构摩擦层的形成有关。
