热喷涂Fe一Ni-B涂层组织性能研究
西南交通大学热喷涂研究所 苟国庆 陈辉
四川大学材料学院 涂铭族
现代焊接
摘要:本文分别采用等离子喷涂及高速火焰喷涂技术制备了Fe-Ni-B涂层，采用扫描电镜分析了喂料、涂层的微观组织形貌，采用X衍射分析了涂层的物相成分，研究了涂层的显微硬度、结合强度以及杭热震性能，并探讨了Fe-Ni-B涂层的经济实用性。结果表明:两种Fe-Ni-B涂层都具备良好的组织性能，等离子喷涂涂层的性能优于高速火焰喷涂涂层，高速火焰喷涂工艺适合于Fe-Ni-B喷涂涂层的大范围推广。
关键词:FeNiB ;等离子喷涂;高速火焰喷涂;结合强度;热震性能；热喷涂粉末
前沿
近年来，热喷涂制备功能涂层得到了广泛的应用，如高温抗氧化、耐磨、减摩、自润滑和可磨耗涂层等。B元素本身具有良好的物理性能，加人喷涂材料中，形成涂层后能够重新加热至1000℃以上的高温，达到熔融状态，与基体产生冶金结合的同时，消除涂层内的气孔，充分发挥喷涂材料所具备的优异性能。
本文采用等离子喷涂及高速火焰喷涂的方法制备了Fe-Ni-B涂层，并对涂层的结构性能进行了研究，探讨了不同工艺方法制备Fe-Ni-B涂层的经济性。
1试验程序
1.1试验材料与预处理
涂层喂料选择re-Ni-B烧结破碎粉。喷涂前试件经过喷砂处理及喷涂Ni-Al打底层处理。
1.2喷涂工艺参数的选择
高速火焰喷涂采用CP-3000亚音速火焰喷涂设备。表I是高速火焰喷涂Fe-Ni-B涂层的工艺参数。
等离子喷涂采用GP-80等离子喷涂设备，喷枪型号为PQ_1So
表2是等离子喷涂Fe-Ni-B的试验工艺参数。
等离子喷涂Fe-Ni-B涂层在制备过程中，发现喂料在喷涂过程中烧损汽化情况严重，涂层表面粗糙度大，结合能力差。经过多次调试，确定等离子喷涂FeNiB的工艺参数如表3所示。喂料及涂层显微形貌实验采用JEOL
JSM-5900LV电子扫描仪分析。涂层物相分析试验采用DX-2000型衍射仪。涂层显微硬度试验采用hxd-100(hm/lcd显微硬度仪，其加载力为3008，保荷时间为15s。涂层结合强度试验采用}J-l0A型机械万能试验机，试样结合面采用国产E一胶粘接。涂层抗热震性能试验采用箱式电阻炉，将工件加热到8000C，保温巧分钟后取出，在冷水中快速冷却至室温，待工件干燥后再重复进行，直到涂层剥离或开裂。以能承受的热震循环的次数来评判涂层耐高温氧化、耐热疲劳性能的优劣。
2.结果及分析
2.1喂料及涂层形貌
图1是喂料的显微形貌图。喂料表面光滑，大部分呈实心球状，颗粒之间分界明显，与常规喷涂喂料存在明显差别，在喷涂过程中发现，喂料送粉及涂层沉积效率均低于常规喂料。
图2是高速火焰喷涂及等离子喷涂Fe-Ni-B涂层显微形貌。
高速火焰喷涂涂层结构粗糙，喷涂颗粒粗大，涂层中存在大量未完全熔融的喂料颗粒。等离子涂层显得更加致密，粒子变形更充分，各区域的组织结构更均匀。涂层中氧化及层状结构并不明显。试验中测得等离子喷涂Fe-Ni-B涂层的孔隙率为4.8%，高速火焰喷涂Fe-Ni-B涂层的孔隙率为6.8%o B的存在减弱了涂层的气孔率，同时抑制了涂层中Fe, Ni的氧化。由于等离子弧温度相对于高速火焰高的焰流温度和高的粒子速度，粒子熔化变形更充分，从而能够获得更加致密
图3是涂层的物相成分分析曲线。
等离子喷涂涂层主要含有FeCr0.29Ni0.16Cr0.06、Fe2B, B6Fe13等物相。高速火焰喷涂涂层主要含有Ni,Fe, FezB，同时还伴随有少量的FOR, Ni等物相。弥散分布于涂层中的Fe2B等硼化物可以对涂层起到弥散强化的作用’引，有利于提高涂层的硬度及抗磨损能力。
分析认为，成分中的铝元素来源于喷涂时为增强基体表面的结合能力进行的镍包铝打底，由此可推断为涂层在p贪余的过程中与打底层发生反应。
2.2力学性能
经测定，等离子喷涂Fe-Ni-B涂层的平均显微硬度644.3HV，高速火焰喷涂Fe-Ni-B涂层的平均显微硬度5943HV o
试验结果表明:等离子喷涂Fe-Ni-B涂层的结合强度为53.3MPa，而高速火焰喷涂Fe-Ni-Is涂层的结合强度为40.9MPa o型是涂层从基体上全部脱落，等离子喷涂的拉伸试样破断类型是涂层从基体上部分脱落，部分从胶层破断。
分析认为:由于等离子喷涂过程中等离子焰流的速度和温度很高，工艺相对比较稳定，因此形成的涂层的结合强度和致密度比较高。而高速火焰喷涂焰流的温度不及等离子弧温度集中，粉末随送粉气体在喷射的飞行过程中被加热的程度不同，易出现部分粉末未熔融，部分粉末仅被软化或存在少数完全未熔的颗粒的现象，同时，高速火焰喷涂在喷涂过程中涂层缺陷情况比等离子喷涂严重，涂层组织疏松，这使得高速火焰的涂层硬度不及等离子喷涂。
2.3涂层抗热疲劳性能
表4为热震试验结果。
图4为热震后两种涂层的金相组织图。
涂层中生成大量的氧化物，高速火焰涂层的氧化程度明显比等离子涂层要严重。等离子喷涂涂层的抗热震性能明显优于高速火焰涂层。等离子涂层横向裂纹居多。高速火焰涂层出
现了连通表面和基体的裂纹。热震条件下，应力集中更加严重，从而以孔隙和微裂纹等缺陷为裂纹源萌生和扩展产生裂纹。
分析认为:等离子喷涂及高速火焰喷涂Fe-Ni-B涂层具备良好的机械物理性能:等离子喷涂设备庞大，成本高，不适合于大面积推广及现场喷涂。而高速火焰喷涂操作方面，经济实用，适合于现场喷涂。因此在现场宜采用高速火焰喷涂制备Fe-Ni-B涂层。
结束语
3.1 Fe一Ni一B喷涂涂层涂层组织致密，图层中出现较低的孔隙率。
3.2 Fe-Ni-B喷涂涂层具备良好的结合强度及抗热震性能。
3.3高速火焰喷涂FP-Ni-B涂层更适合于实际推广应用。
参考文献 略
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