反应等离子制备TiCN多尺度复合涂层替代电镀铬的研究

项目任务来源于河北省重点研发计划项目——“反应等离子制备TiCN多尺度复合涂层替代电镀铬的研究”，由河北工业大学与河北恒盛泵业股份有限公司共同完成。

传统的电镀铬层能提高机械零件的抗磨性、延长使用寿命，但镀铬过程产生大量的废气、六价铬废水和废渣，造成空气和土壤的严重污染。另一方面，电镀铬层的硬度、耐磨性和工作温度已难以适应高温、高速和重载的工业要求，开发替代电镀铬的工艺和材料势在必行。

该项目以TiCN陶瓷相为基础，采用石墨-钛-Cr/Mo复合粉为喂料，通过反应等离子喷涂技术开发出微米金属-纳米TiCN相多尺度复合的新型涂层，获得良好的强韧性匹配。在涂层体系设计、制备工艺优化、组织结构调控和综合性能评价等方面取得了技术创新与突破。

应用该技术在恒盛泵业各种泵的泵轴、衬套和螺旋套部位制备新型涂层，提高了产品服役寿命，减少了环境污染，增加了经济效益，起到了替代电镀铬的示范作用。

（1）提出了微米-纳米多尺度复合的新型涂层体系。通过石墨-钛复合粉在氮气下的自蔓延反应合成TiCN纳米晶，作为基体强化相，在复合粉中添加Cr、Mo等金属，经等离子喷涂后形成微米级金属单质，均匀分布于TiCN基体中，作为韧性相和粘结相，既降低了单一纳米晶涂层中的高内应力，还增加了涂层的内部结合力，解决了TiCN涂层的硬度和韧性倒置问题。

（2）开发出适于TiCN基复合涂层的反应等离子喷涂技术。通过正交试验设计，以显微硬度为标准，优化了喷涂工艺参数，阐明了Cr、Mo添加量对涂层组织结构的影响规律，通过改变Cr、Mo元素含量，研究其在涂层中分布和界面结合形态，实现涂层孔隙率及相分布的调控。

（3）建立了TiCN基复合涂层性能的综合评价体系。阐明了Cr、Mo元素对涂层硬度、结合强度、断裂韧性、磨损和腐蚀性能的影响规律，利用Weibull函数统计分析了涂层的硬度分散性，复合涂层的硬度均接近1300HV，裂纹扩展能比TiCN提高了3倍，不同载荷下的磨损量均低于TiCN涂层，Cr添加能显著提高复合层的耐蚀性。

（4）实现了TiCN基复合涂层的工业应用，在泵的耐磨部件上喷涂了超过300μm的TiCN-Cr涂层，泵运行情况良好，寿命由原来镀铬工艺的200~300小时，提高到了1年以上，已成功取代原镀铬工艺。相关研究成果在《Surface & Coatings Technology》、《Ceramics International》等表面工程领域高水平杂志上发表SCI论文5篇，中文学术论文2篇，授权发明专利1项，并在螺杆泵的核心部件上推广应用，替代了原有的镀铬工艺，显著减少了环境污染，推动了清洁生产的应用进程，将螺杆输送泵的压力提高至8MPa，达到了国内领先水平，并在国之重器现役航母和在建航母及新型潜艇上得到大规模应用。

项目任务来源于河北省重点研发计划项目-反应等离子制备TiCN多尺度复合涂层替代电镀铬的研究，由河北工业大学与河北恒盛泵业股份有限公司共同完成。传统的电镀铬层能提高机械零件的抗磨性、延长使用寿命，但镀铬过程产生大量的废气，六价铬废水和废渣，造成空气和土壤的严重污染，另一方面，电镀铬层的硬度、耐磨性和工作温度已难以适应高温、高速和重载的工业要求，开发替代电镀铬的工艺和材料势在必行。该项目以TiCN陶瓷相为基础，采用石墨-钛-Cr/Mo复合粉为喂料，通过反应等离子喷涂技术开发出微米金属-纳米TiCN相多尺度复合的新型涂层，获得良好的强韧性匹配。在涂层体系设计、制备工艺优化、组织结构调控和综合性能评价等方面取得了技术创新与突破。应用该技术在恒盛泵业各种泵的泵轴、衬套和螺旋套部位制备新型涂层，提高了产品服役寿命，减少了环境污染，增加了经济效益，起到了替代电镀铬的示范作用。 (1)提出了微米-纳米多尺度复合的新型涂层体系。通过石墨-钛复合粉在氮气下的自蔓延反应合成TiCN纳米晶，作为基体强化相，在复合粉中添加Cr、Mo等金属，经等离子喷涂后形成微米级金属单质，均匀分布于TiCN基体中，作为韧性相和粘结相，既降低了单一纳米晶涂层中的高内应力，还增加了涂层的内部结合力，解决了TiCN涂层的硬度和韧性倒置问题。 (2)开发出适于TiCN基复合涂层的反应等离子喷涂技术。通过正交试验设计，以显微硬度为标准，优化了喷涂工艺参数，阐明了Cr、Mo添加量对涂层组织结构的影响规律，通过改变Cr、Mo元素含量，研究其在涂层中分布和界面结合形态，实现涂层孔隙率及相分布的调控。 (3)建立了TiCN基复合涂层性能的综合评价体系。阐明了Cr、Mo元素对涂层硬度、结合强度、断裂韧性、磨损和腐蚀性能的影响规律，利用Weibull函数统计分析了涂层的硬度分散性，复合涂层的硬度均接近1300HV，裂纹扩展能比TiCN提高了3倍，不同载荷下的磨损量均低于TiCN涂层，Cr添加能显著提高复合层的耐蚀性。 (4)实现了TiCN基复合涂层的工业应用，在泵的耐磨部件上喷涂了超过300μm的TiCN-Cr涂层，泵运行情况良好，寿命由原来镀铬工艺的200~300小时，提高到了1年以上，已成功取代原镀铬工艺。相关研究成果在《Surface & Coatings Technology》、《Ceramics International》等表面工程领域高水平杂志上发表SCI论文5篇，中文学术论文2篇，授权发明专利1项，并在螺杆泵的核心部件上推广应用，替代了原有的镀铬工艺，显著减少了环境污染，推动了清洁生产的应用进程，将螺杆输送泵的压力提高至8MPa，达到了国内领先水平，并在国之重器现役航母和在建航母及新型潜艇上得到大规模应用。