稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用研究现状

【摘要】本文对稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用研究现状作了一定的讲述。稀土可以改善金属陶瓷涂层的微观组织结构，在一定程度上解决金属陶瓷涂层存在着的强度硬度不高，耐磨性低、以及涂层剥落等问题，稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用也在不断的研究中，此项改性技术被用于多种领域，有效地提高了涂层的强度和硬度，改善了涂层的摩擦学性能，提高了金属陶瓷涂层的使用性能。

【关键字】稀土，金属陶瓷，微观组织，改性作用

中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：

前言

金属陶瓷是一种性能优异的复合型的材料。既具备了陶瓷的优点，也保持了金属材料的优点，被广泛用于生物医学、航空航天、模具等行业。金属陶瓷涂层存在着强度硬度不高，耐磨性低、以及涂层剥落等问题，而稀土对金属陶瓷涂层微观组织有改性作用，能在一定程度上解决这些问题，基于此缘故稀土的改性技术在金属陶瓷涂层制备过程中得到了广泛的应用，同时稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用也在不断的研究中。本文对稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用研究现状作一定的讲述。

细化晶粒

在金属陶瓷涂层的结晶阶段中，稀土元素与氧、硅、氮、硫等元素发生反应从而形成熔点非常高的，稳定的化合物，增加了形核质点数；稀土元素降低晶粒长大的驱动力，从而限制晶粒长大；并且稀土元素帮助涂层涂层枝晶快速形成，加剧分枝，减小枝晶的间隙，使得涂层组织致密且均匀。

在涂层结晶过程的形核过程中，稀土元素与硫、氧、硅、氮等元素发生反应生成高熔点稳定的化合物，提高了形核率，从而使晶粒变细。实验中发现这一现象，在等离子喷涂镍基金属陶瓷涂层中分别添加La2O3以及La2O3和CeO2的混合物之后，稀土元素与其它元素反应生成高熔点、稳定的化合物，其中部分的化合物作为金属陶瓷在结晶过程中的晶核，使晶核在数目增加，晶粒变细。研究还发现，添加La2O3能使激光熔覆镍基合金涂层显微组织细化，稀土容易与氧、硫和硅等元素反应生成稳定的高熔点化合物，在熔覆过程中，部分化合物能作为形核核心，提高形核率，起到细化晶粒的作用。

马运哲等将二氧化铈加入到激光熔覆镍基合金涂层中，发现铈元素与其它元素反应生成稳定的高熔点、稳定化合物，能够提高形核率。铈还起到了使液态金属的表面张力和临界形核半径减小的作用，使得在同样的时间段内，形核质点数目大大增多。沈以赴等研究发现，使用用激光熔覆的制作工艺制备稀土硅铁涂层，稀土氧化物、稀土硫化物、稀土硫氧化物这些由稀土与杂质作用合成的夹杂物能够使晶核数量增多；同时，由于稀土元素在固液界面上的富集促使已形成的枝晶熔断的缘故，还会导致晶核数量增加而使晶粒细化。

在晶粒长大这一过程中，稀土元素偏聚于晶界或相界处，产生界面元素富集现象起到了降低晶界表面能量，限制晶粒长大的作用。在等离子喷涂镍基金属陶瓷涂层中分别添加La2O3以及La2O3和CeO2的混合物，发现结晶过程中为了保持晶粒具有最小的表面自由能，稀土粒子经常无规律的分布在晶界。当晶粒长大，处于晶界的稀土原子及其化合物对晶界产生拉拽作用，限制晶粒的长大。许伯藩等在激光熔覆TiC/Ni复合涂层中添加CeO2，发现在涂层结晶过程中，固溶的铈元素偏聚于晶界或相界处，减小晶粒长大的动力、限制晶粒长大，有效地细化和球化晶粒。

稀土元素还能够起到加速金属陶瓷涂层枝晶的形成，减小枝间分距，加速分枝的作用。将La2O3添加到激光熔覆镍基合金涂层中，会发现不加时涂层的二次枝晶间隙是4.30μm，但是加入稀土后二次枝晶间隙减小到3.33μm，这就是稀土元素减小枝间分距的表现。潘应君等在激光熔覆镍基TiC金属陶瓷复合层中加入稀土La2O3 做实验，发现不加稀土时，复合层的组成成分主要是粗大的树枝晶和枝间共晶组织，大小不规则的块状硬质相不均匀地分布在枝晶基体之间；加入少量稀土后，细化了熔覆层的枝晶组织，硬质相呈细小颗粒状分布在枝晶基体中，组织更致密均匀。

赵高敏等人的研究发现，加入La2O减弱了激光熔覆铁基合金涂层组织生长的方向性，增大了枝晶分散度，减小了枝晶间隙，阻碍了树枝晶生长，减少了二次枝晶间距，细化了晶粒，组织趋向均匀。许伯藩等在激光熔覆TiC/Ni复合涂层中添加CeO2，发现CeO2在分解后，部分Ce元素富集于液固界面的液相侧，使凝固过程中的成分过冷倾向增大，加速了树枝状晶的形成，加剧了分枝，减小了枝晶间隙。

三.净化组织

在细化晶粒问题上提到过，在在金属陶瓷涂层的结晶阶段中，稀土元素与氧、硅、氮、硫等元素发生反应从而形成熔点非常高的，稳定的化合物。同时，会上浮变成熔渣排出，这一过程会对金属陶瓷涂层组织产生净化的效果。

K L Wang研究发现涂层组织夹杂物含量明显降低的一种情况，就是添加稀土La2O到激光熔覆镍基合金涂层中，能够使得涂层组织更加致密，夹杂物的含量从原先的百分之1.52下降到百分之0.35。这就是稀土元素与氧、硅、氮、硫等元素发生反应从而形成熔点非常高的，稳定的化合物，上浮变成熔渣排出使得夹杂物降低的原因。

马运哲等也在实验中发现了一种净化组织的方式，他们在激光熔覆镍基合金涂层中加入二氧化铈，发现铈元素极易与合金中的氧、硫、磷等杂质元素形成高熔点的稳定化合物，在凝固过程中，它们率先凝固而漂浮在液态金属表面形成残渣，从而使熔覆层夹杂物的数量降低，起到了净化组织的作用。脱溶进入内应力区或晶体缺陷中去。稀土具有很强的脱硫能力，容易生成RES，RE2S3等稀土硫化物，从而减少硫对涂层性能的不良影响。

降低基体材料对涂层的稀释作用

稀土元素能够通过增加涂层材料的熔化潜热，缩短凝固时间，并减弱元素的扩散和运动，从而降低基体对金属陶瓷涂层的稀释作用。

金属陶瓷涂层的性能受基体材料对涂层的稀释作用的较大影响，当金属陶瓷涂层与基体金属之间合金元素的扩散时间较长的时候，所形成的扩散过渡区的厚度比较大，从对合金层的性能造成不良影响。另一方面，当扩散过渡区过薄时，就不能保证界面间的结合强度。

赵高敏等人发现在激光熔覆铁基合金涂层中加入La2O3后，稀释率大大降低了。因为稀土聚集在晶界处，使得合金元素过渡区的宽度变小了。所以，将La2O3加入激光熔覆铁基合金涂层能使金属陶瓷涂层的强度和硬度有显著的提高。

五.改善涂层组织力学性能

同时稀土能通过强化金属陶瓷涂层组织晶界，减小微观粒子平均承受的摩擦力从而达到改善涂层组织力学性能的目的。Z Y Zhang在等在等离子喷涂镍基金属陶瓷涂层中添加La2O3，赵高敏在激光熔覆铁基合金涂层中加入La2O3都发现能够将涂层的摩擦系数显著降低，并且能减小它的波动范围。

结束语

稀土可以改善金属陶瓷涂层的微观组织结构，从而解决当下金属陶瓷涂层存在的强度硬度不高，耐磨性低、以及涂层剥落的一些问题。本文列举的改性作用只是其中的一部分，金属陶瓷涂层被广泛用于生物医学、航空航天、模具等行业，随着金属陶瓷使用领域的进一步扩大，稀土对其涂层微观组织改性作用将进一步得到我们的重视，因此我们应当不断加深稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用的研究，并且将成型的研究用于实践，应用到制备过程中。

参考文献:

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