第3章 等离子熔覆镍基涂层
目前，镍基等离子熔覆大多采用在镍基自熔合金粉末中添加硬质相及硬质相合成元素，制备复合涂层或梯度涂层。作为一种快速冶金方式，等离子熔覆既可得到符合平衡相图的合金，也可得到偏离平衡相图的超合金，因此开发熔覆专用材料已经成为等离子熔覆研究领域的一个重要方向。本章重点研究Ni15A和Ni60镍基复合等离子熔覆层体系，其中在Ni15A涂层粉末体系中添加Ti，旨在通过原位合成反应，即反应熔覆，生成TiN增强相来提高涂层的摩擦学性能；在Ni60基熔覆涂层中添加WC/Ti，研究通过反应生成增强第二相及其对熔覆层抗冲蚀和抗高温变形能力的影响。通过添加Ni包六方氮化硼（h-BN）和Ni包MoS2等自润滑剂的方式，获得了等离子熔覆自润滑涂层。
等离子反应熔覆技术是在等离子高能量束熔覆过程中通过元素或化合物间的化学反应“原位合成”金属陶瓷等涂层的一种新型涂层技术[83]。利用熔覆材料之间或熔覆材料与其他介质之间相互反应，生成强化相以增强涂层的性能已有大量研究[84，85]。原位合成工艺是在一定条件下，通过元素和元素之间的物理化学反应，在基体内部原位形成一种或多种高强度、高硬度的增强颗粒，从而起到强化基体的作用[86]。原位合成的强化颗粒是从涂层的金属基体中原位形核长大的热力学稳定相，避免了涂层与基质材料之间相容性不良的问题。同时，采用原位合成的强化相颗粒在涂层内分布较为均匀，避免了加入强化相颗粒时由于材料和工艺带来的偏析和团聚问题，在保证材料韧性的同时，可以大幅度提高涂层的强度。
TiN涂层具有低摩擦系数和高硬度以及良好的耐蚀性等优点，因此被广泛应用在装饰涂层、耐磨涂层和耐蚀涂层。而TiN相作为一种陶瓷相，在涂层中可以显著提高涂层的强度和硬度。目前，许多研究者通过热喷涂、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及电弧镀等技术，利用纯Ti和N反应制备了原位TiN涂层，并对涂层的形成过程、显微结构和性能进行了研究[87-91]。王振廷等[92]通过氩弧熔覆技术在Q345D钢表面，以Ti、BN、Ni粉为原料，在Ni基合金涂层中原位合成了TiN，并对涂层的显微组织和耐磨性及摩擦机理进行了分析。徐安阳等[93]针对功能电极电火花诱导烧蚀加工钛合金的表面缺陷，通过原加工系统向加工区域通入氮气，利用电火花放电对烧蚀加工表面进行修整，放电产生的热量促使氮气和钛合金表面材料发生化学反应，原位合成了TiN涂层。董艳春[94]以Ti粉为原料，利用等离子喷涂技术，使熔化的Ti粉在氮气气氛的反应室内反应，用反应等离子喷涂技术制备了纳米TiN涂层。应峰等[95]在Ti合金表面采用双层辉光离子渗金属技术，原位合成了TiN渗镀层，TiN层具有较高的硬度，达到1400HV0.2，与基体结合良好，渗镀层的摩擦系数较基体下降50%，具有良好的减摩耐磨性。
可以看出，原位合成TiN都是利用Ti元素与N元素在不同环境下发生直接反应或置换反应的机理。然而，传统的利用PVD、CVD、电弧镀等技术原位制备的TiN涂层较薄，降低了涂层的力学性能。利用热喷涂反应技术虽然可以制备较厚的TiN涂层，但是涂层内含有较多的孔隙，脆性较大，涂层质量不易控制。
利用反应等离子熔覆技术原位合成TiN涂层可以在短时间内制备出较厚的涂层，大大提高了粉末的沉积效率，节约了成本。合成的TiN涂层内孔隙率低、质量好，涂层与基体可以形成冶金结合，大大提高了涂层的性能。