通过等离子喷涂技术，在控制基底温度的条件下，反应合成TiO2-x/Cu复合涂层微观结构与性能的演变

《Surface and Coatings Technology》：Evolution of the microstructure and properties of reactively synthesized TiO2-x/Cu composite coating by plasma spraying with controlled substrate temperatures

　　

Peng Wang|Wenchang Wang|Zekun Li|Guozheng Ma|Haidou Wang

陕西科技大学机械与电气工程学院，中国西安 710021

摘要

具有优异导电性和耐磨性的陶瓷/金属复合涂层对于高端设备中载流摩擦对的长期使用至关重要。本研究通过等离子喷涂一步法合成了TiO_2-x/Cu复合涂层，并系统分析了基体温度对涂层微观结构和性能演变的影响。结果表明，基体温度显著影响了复合涂层中陶瓷相和金属相的分布及表观含量，这得益于不同基体温度下液滴扩散形态的变化。随着基体温度的升高，液滴的扩散逐渐呈现出规律性模式，复合涂层的微观结构变得更加致密。然而，在较高温度下形成的碗状扁平液滴结构限制了熔融铜的扩散，导致金属相的表观含量减少，金属条在涂层中的连通性下降。因此，复合涂层的显微硬度增加，但断裂韧性降低，其导电性从2.15×10⁶ S/m降至1.21×10⁶ S/m。复合涂层的摩擦学性能与磨损表面产生的铝碎片密切相关，在载流条件下的摩擦系数通常低于干摩擦条件。干摩擦条件下，复合涂层的磨损机制主要是磨料磨损和疲劳磨损，而磨损程度随基体温度的升高而逐渐减小。相比之下，在载流条件下，磨损表面上形成的大量片状碎片有效减少了涂层材料的去除，从而在磨损轨迹内部形成了相对稳定的亚表面结构，这对提高涂层的耐磨性非常重要。

引言

在包括航空航天和轨道交通在内的高端设备领域，载流摩擦对作为传输电能和控制信号不可或缺的核心部件，其服务性能直接影响整个设备系统的长期可靠性和运行寿命[1]。在实际运行中，这些部件通常面临高速相对运动和电流负载的耦合工作条件，因此不仅需要优异的摩擦学性能，还需要出色的导电性。由于金属材料具有良好的导电性和延展性，它们通常被用作载流摩擦对的重要结构材料[2][3][4]。然而，金属材料的低硬度导致较差的耐磨性，极大地限制了其在载流摩擦领域的应用。相比之下，陶瓷材料具有优异的硬度和高耐磨性，但传统陶瓷的导电性差且脆性高，难以满足严格的电气接触要求[5][6][7][8][9]。因此，开发结合陶瓷高耐磨性和金属优异导电性的复合材料在载流摩擦领域具有重要意义。

二氧化钛（TiO_2-x）的镁铁矿相亚氧化物作为一种新型功能材料，不仅具有传统陶瓷的高硬度和耐磨性，还由于晶格中的氧空位形成了自由电子通路而表现出类似金属的导电性[10][11][12]。然而，与其他陶瓷材料一样，TiO_2-x陶瓷仍存在缺陷，如高脆性和较差的抗冲击性。因此，TiO_2-x陶瓷在高压接触应力下容易快速开裂，限制了其直接作为电气接触材料的应用[13]。尽管如此，将TiO_2-x陶瓷与金属材料结合使用，可以利用两者的优势，从而在材料的机械、电气和摩擦学性能上实现全面提升，满足载流摩擦对的整体性能要求。

TiO_2-x陶瓷的传统制备工艺（如热压烧结）往往受到复杂程序和高成本的阻碍。此外，在制备过程中容易发生过烧结和颗粒聚集等微观结构缺陷[14][15][16][17]。因此，开发简单经济的方法制备TiO_2-x陶瓷具有重要意义。等离子喷涂以其低成本和高灵活性而广泛应用，不仅用于生产传统的热障涂层和耐磨涂层，还在新型陶瓷/金属复合涂层的制备中具有巨大潜力[18][19]。我们认为，利用等离子射流中的强还原介质H₂实现TiO₂到TiO_2-x陶瓷的原位转化，并一步合成TiO_2-x/Cu复合涂层，可以显著简化TiO_2-x陶瓷的制备过程，为低成本、高性能陶瓷/金属涂层的应用提供了新策略。

一般来说，热喷涂涂层的微观结构是决定其宏观性能的核心因素[20]。在等离子喷涂过程中，液滴的扩散、凝固及随后的堆积行为决定了涂层的微观结构，从而影响涂层的综合性能[21]。研究表明，调节基体温度可以有效优化液滴的润湿性和扩散均匀性，从而改善微观结构并提升涂层性能。例如，Pakseresht等人[22]发现，随着基体温度的升高，基体表面的吸附物和凝结水能够充分脱附，扁平液滴从不规则的飞溅状转变为规则的圆盘状，显著提高了涂层的机械和摩擦学性能。Liu等人[23]发现，在较低的基体温度下，熔融液滴形成指状溅射形态，内部裂纹密集，导致涂层致密度较差。相反，提高基体温度促进了圆盘状液滴的形成，从而形成致密度更高的涂层结构，具有优异的机械性能。尽管基体温度的重要性已得到广泛认可，但目前对其对陶瓷/金属复合涂层形成过程、微观结构和性能以及载流摩擦行为的影响理解仍不够充分。因此，迫切需要研究基体温度对涂层内部结构、微观结构和性能演变以及载流摩擦行为的影响。此外，陶瓷/金属涂层在极端载流条件下的摩擦和磨损机制及失效模式也需要进一步深入研究。

本研究通过等离子喷涂一步法合成了TiO_2-x/Cu复合涂层，充分利用了等离子射流中的物理和化学反应。研究了不同基体温度（25°C、150°C、300°C和400°C）下液滴的扩散和堆积行为，以揭示基体温度对复合涂层微观结构、机械性能、电气性能和摩擦学性能的影响。此外，还进一步比较分析了复合涂层在干摩擦和载流条件下的摩擦和磨损机制。本研究将为高性能陶瓷/金属复合导电耐磨涂层的开发提供理论指导，这对提高载流摩擦对的可靠性和使用寿命具有重要意义。

节片段

粉末和涂层的制备

制备涂层的原材料为纳米TiO₂颗粒（宁波博华纳米技术有限公司）和微米级Cu颗粒（上海博伟应用材料技术有限公司）。图1a中，纳米TiO₂颗粒呈长条形，尺寸分布为30–50纳米，TiO₂的主要相组成为金红石相（图1b）。图1c中的Cu颗粒呈良好的球形，粒径主要在5至15微米之间。在本研究中，通过

液滴扩散和扁平液滴堆积行为

液滴的扩散形态是影响涂层微观结构和性能的关键因素，基体温度显著影响其动态行为[25][26]。图3a中，室温（25°C）下液滴呈现径向扩散形态，边缘不规则，这是由于基体表面存在大量物理吸附水和结晶水。在液滴扩散过程中，水分的蒸发

结论

本研究通过等离子喷涂一步法合成了TiO_2-x/Cu复合涂层，并分析了基体温度（25°C、150°C、300°C和400°C）对复合涂层微观结构、机械性能、电气性能和摩擦学性能以及干摩擦和载流条件下摩擦和磨损机制的影响。得出以下结论：

(1)

随着基体温度的升高，扁平液滴形态发生变化

作者贡献声明

Peng Wang：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，指导。Wenchang Wang：撰写——初稿，数据整理。Zekun Li：数据整理。Guozheng Ma：指导。Haidou Wang：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了先进设备摩擦学国家重点实验室摩擦学科学基金（SKLTKF25B11）和国家自然科学基金（52130509）的财政支持。