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文|洁说圈
编辑|洁说圈
应用机械涂层技术在钢球和不锈钢球的基体上制备了Ti涂层。采用x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对制备的样品进行了分析。同时对球基板的增重和Ti涂层的平均厚度进行了监测。
结果表明，在不同的转速下，经过不同的时间，可以制备出连续Ti涂层。较高的转速可以加速连续Ti涂层的形成。基体硬度对Ti涂层的形成也有显著影响。其中，表面硬度较低的物质更适合作为制备Ti涂层的基体。
基底材料在Ti涂层的形成中起着关键作用。具体来说，钛涂层在金属/合金球上比在陶瓷球上更容易形成。
涂层技术是最常用的表面改性技术之一，已在许多工程领域得到应用，包括防腐热障、减摩、隐身材料等。在经过热氧化、化学氧化、等离子体电解氧化、阳极氧化等处理后，在金属/合金涂层中也发现了光催化活性等其他功能。
涂层技术的意义
在工作中，我们在Al2O3球的基底上采用机械涂层和热氧化制备了TiO2/Ti复合光催化剂涂层。通过进一步的研究，我们开发了缺氧可见光响应TiO2涂层。
因此，金属/合金涂层的制备具有重要的实际意义。研究人员利用机械涂层技术在陶瓷或金属基底上制备了多种金属/合金涂层。早在1995年，Kobayashi就在不锈钢球和ZrO2球[18]的基底上开发了 Al和Ti-Al涂层。
Romankov等人也在钛合金基底上制备了al和Ti- al涂层。Gupta等人[20]在低碳钢基体上制备了纳米晶铁硅合金涂层。Farahbakhsh等人在陶瓷和金属基底上沉积了Cu和Ni-Cu固溶体涂层。
我们已经在Al2O3球形衬底上制备了Fe和Zn涂层。此外，还揭示了金属粉末的性质对金属涂层的形成起着重要的作用。除了铣削速度和时间等加工参数的影响外，还进一步研究了涂层形成的可能机理。
在这项工作中，我们将验证金属基板上金属涂层的形成可能性，并尝试利用机械涂层技术在不同的钢基板上制备Ti涂层，Ti涂层的形成过程以及基体性能对其形成的影响。
Ti涂层的形成过程
采用行星球磨机机械涂覆技术制备钛涂层(粉碎机6,Fritsch)。 轧机传动比为1:−1.82 。将钛粉(大阪钛科技有限公司，大阪，日本)和钢球作为衬底，装入体积为250ml的氧化铝碗中。
将碗固定在行星球磨机中，然后以不同转速、不同持续时间进行机械涂层工艺。分别采用钢球(SUJ-2，密度为7.85 g·cm−3)和不锈钢球(su -304，密度为7.93 g·cm−3)两种基材，研究钢球基材对金属镀层形成的影响。
钢(SUJ-2)和不锈钢球(su -304)的组成。研究基体表面粗糙度的影响，在机械涂层前对钢球进行抛光处理，使其表面更光滑。抛光过程如下:首先，将目数为80的砂纸沿碗壁放入碗中。其次，将钢球装入球筒，进行球磨;在球磨中，球在与碗球的反复碰撞和摩擦中被砂纸抛光。未测量球的表面粗糙度。
同时，在机械涂层前对钢球进行1073 K保温1.5 h的真空退火，改变其硬度，研究基体硬度对涂层形成的影响。钛粉的平均粒径分布在5 ~ 100 μm之间，约为30 μm。
其中大部分(高达70%)位于20 ~ 50 μm范围内。参数x和y分别对应磨机的转速和磨铣时间。金属粉末与球体的体积比为1:7 .7，填充度为5%。
用x射线衍射仪在30 kV和20 mA的Cu Kα辐射下对样品进行了表征。利用扫描电镜(SEM) 观察了ti涂层钢球截面的表面形貌和显微组织。
从5个镀钛钢球的40个不同位置的横截面扫描电镜图像中估计了钛涂层的平均厚度。随机选取50个镀钛钢球进行三次称重，计算50个钢球在机械涂层过程中的平均增重。
当机械涂层处理时间延长到4和8 h时，除了Fe的衍射峰外，还出现了Ti的衍射峰，说明有Ti粉颗粒附着在钢球表面。当处理时间达到10 h时，不再观察到Fe的衍射峰，说明在钢球上形成了连续的Ti涂层。
通过扫描电镜记录了涂钛钢球的表面形貌，当机械涂层过程持续时间为4和8 h时，Ti粉颗粒不连续地涂覆在钢球表面。随着工艺时间增加到10 h，形成连续的Ti涂层。
随着时间的延长至50 h, Ti涂层的表面变得凹凸不平，并形成驼峰。SEM图像的结果与XRD图相一致。
虽然在4 h和8 h时没有明显观察到Ti粉颗粒在钢球上的涂层，但在机械涂层8 h后，可以确定形成连续的Ti涂层。因此，由上述结果可知，经过10 h的机械涂层工艺，在300 rpm的转速下， 在钢球上制备了连续Ti涂层。
为了研究转速对Ti涂层形成的影响，同样在400 rpm的转速下在钢球上制备连续Ti涂层，我们可以看到，经过4小时的机械涂层过程，已经形成了连续的Ti涂层。
从4 h到20 h, Ti涂层的厚度随着时间的增加而增加，但随着时间的增加，到26和32 h，连续Ti涂层开始从钢球中分离出来。
因此，我们可以说，Ti涂层的演变经历了四个阶段:成核-核生长-涂层形成-剥落。其演变过程与Fe和Zn涂层相似。
用x射线衍射仪在30 kV和20 mA的Cu Kα辐射下对样品进行了表征。利用扫描电镜(SEM) 观察了ti涂层钢球截面的表面形貌和显微组织。
从5个镀钛钢球的40个不同位置的横截面扫描电镜图像中估计了钛涂层的平均厚度。随机选取50个镀钛钢球进行三次称重，计算50个钢球在机械涂层过程中的平均增重。
当机械涂层处理时间延长到4和8 h时，除了Fe的衍射峰外，还出现了Ti的衍射峰，说明有Ti粉颗粒附着在钢球表面。当处理时间达到10 h时，不再观察到Fe的衍射峰，说明在钢球上形成了连续的Ti涂层。
50个钢球在不同转速下机械涂层过程中的增重情况。重量的增加意味着更多的钛粉颗粒覆盖在钢球上。 我们发现钢球的重量随着持续时间的增加而增加。 然而，在相同的机械涂层工艺时间下，随着转速从200转/分增加到400转/分，重量增加幅度更大。
这说明较高的转速可以加速钛粉颗粒在钢球表面的涂层。对连续Ti涂层的平均厚度变化进行监测，我们可以注意到，在200转/分的情况下没有数据，因为连续Ti涂层在50小时后甚至没有成功制备。
在200转/分或更低的转速下可能无法形成连续Ti涂层。连续Ti涂层在300和400 rpm时的平均厚度变化相似。当转速为400 rpm时，当时间达到26 h时，由于形成的涂层开始脱落，重量开始下降。如果铣削时间再延长，金属涂层的剥落将继续。
随着球磨机转速的增加，球传递给金属粉末颗粒的能量迅速增加。碰撞功率越大，传递的碰撞能量就越大，从而产生严重的塑性变形。金属粉末颗粒之间只有在塑性变形大于某一临界值才会发生冷焊。
换句话说，表面粗糙度的降低有利于金属粉末颗粒与金属球表面的粘附。我们认为，表面粗糙度的改善可以减少球表面空腔中保留的空气量。增大了球与金属粉末颗粒的接触面积，增加了冷焊的可能性。因此，表面粗糙度的提高加速了金属镀层的形成。
另一方面，表面粗糙度的提高减少了表面空腔的数量。因此，相互作用的机会-特别是空腔和金属颗粒之间的机械互锁-减少了。最后，表面粗糙度的提高阻碍了金属镀层的形成。由上述结果可知，表面粗糙度对金属镀层形成的影响是相当复杂的;促进因素和阻碍因素并存，影响可以忽略不计。
对于基体硬度的影响，Ti涂层的形成情况如我们可以清楚地看到，Ti粉颗粒粘附在退火钢球上的比附着在钢球上的要多。换句话说， 钛粉颗粒更容易覆盖在较软的钢球上。
钢球表面硬度的影响
钢球表面硬度对金属粉末颗粒镀层的影响也可归因于金属粉末的冷焊。如上所述，钢球和金属粉末颗粒之间的冷焊只有在满足临界塑性应变时才会发生。退火后的球比退火前的球更软。
在球与金属粉末颗粒的碰撞过程中，球的软表面更容易与金属颗粒焊接。经过12h的球磨后，这些球表面被金属粉末完全包裹后，球与金属粉末颗粒之间的相互作用已经被金属粉末颗粒之间的相互作用所取代。因此，不能再研究粗糙度和硬度等表面参数的影响。
基体材料对连续Ti涂层形成的影响。当选择不锈钢(su -304)球作为基体时，连续Ti涂层的形成时间约为10h，与使用钢(SUJ-2)球作为基体时相同。这意味着在不锈钢和钢球上形成连续Ti涂层所需的时间是相同的。
在相同条件下，在Al2O3球上形成连续Ti涂层需要20 h。因此，我们可以得出结论，在钢球上Ti涂层的形成比在陶瓷球上更容易和更快。换句话说，衬底在Ti涂层的形成中起着关键作用。
从以上结果可以看出， 在钢球上形成Ti涂层比在陶瓷球上形成Ti涂层容易得多，速度也快得多。
众所周知，Al2O3的硬度在2300 HV左右，远远大于钢和不锈钢。当基体硬度从2300 HV降低到809 HV时，形成连续Ti涂层所需时间从20 h减少到10 h。
当基体硬度从809 HV进一步降低到187 HV时，所需时间几乎没有减少，说明在一定范围内降低基体硬度可以缩短Ti涂层的形成。其次，从金属到陶瓷的材料转移比金属材料之间的冷焊困难。
证明了金属颗粒与陶瓷球的相互作用是由于金属颗粒的塑性变形造成的机械自锁。然而，当球变成金属球时，球的新鲜表面与金属粉末颗粒之间发生冷焊。自锁强度比冷焊低。
采用机械涂层技术在钢和不锈钢球基体上制备了连续Ti涂层。更高的转速，提供更大的碰撞力和能量，加速了连续Ti涂层的形成。
基体材料对Ti涂层的形成起着至关重要的作用;具体来说，钛涂层甚至其他金属涂层比陶瓷球更容易在金属/合金球上形成。同时，基体硬度对Ti涂层的形成也有显著影响。表面硬度较小的材料更适合作为制备钛涂层的基体。