电弧喷涂制备的金属基陶瓷复合涂层(MMC)成本低、性能优良,具有广阔的工业应用前景,这种复合涂层具有许多优异的性能,如高温性能、耐磨损及耐腐蚀性能等。文献[1~4]的研究表明,硼化物、碳化物及氧化物等硬质相的加入可显著改善涂层的力学性能。涂层的组织和性能取决于撞击粒子的热能和动量,而粒子的热能和动量与作为喂料的热喷涂粉末的尺寸紧密相连。随电弧喷涂金属涂层应用广泛,金属粒子的特性也已得到深入研究。文献[5~6]的研究发现,喷涂金属涂层时增加粒子的熔化程度可降低涂层的孔隙率。近来对热喷涂微纳米结构涂层的研究却发现熔化-未熔化的双相结构可改善涂层的力学性能[7]。而有关陶瓷热喷涂粉末尺寸对电弧喷涂金属2陶瓷粒子的特性和涂层性能影响的研究尚未涉及。本研究采用高速电弧喷涂(HVAS)技术,在20G钢基体上制备含有微米TiB2和纳米Al2O3陶瓷颗粒弥散增强的Fe2TiB2复合涂层,分析扁平粒子结构与陶瓷热喷涂粉末尺寸的关系,探讨陶瓷热喷涂粉末尺寸对涂层的组织和性能影响机制。
摘要:利用高速电弧喷涂和含有微米TiB2和纳米Al2O3陶瓷热喷涂粉末的粉芯丝材在碳钢基体上制备了六组陶瓷颗粒弥散增强的Fe2TiB2复合涂层,研究微纳米陶瓷热喷涂粉末对电弧喷涂Fe2TiB2复合涂层的形成和性能的影响。采用光学显微镜、WYKONT1100三维表面形貌仪对比分析了扁平粒子形貌和厚度;用SEM, EDAX及XRD分析涂层的形貌和相组成,测试了涂层的显微硬度和耐磨粒磨损性能,并用激光共聚焦显微镜观察磨损后的涂层形貌。结果表明,随着粉芯丝材中微纳米陶瓷热喷涂粉末含量的增加,扁平粒子的形貌从飞溅严重的散点状逐渐转变成少量飞溅的盘状,涂层的孔隙率随之下降。对比6种涂层的组织及性能,发现当粉芯丝材中的TiB2热喷涂粉末尺寸<2μm时, Fe2TiB2复合涂层中的陶瓷硬质相分布最为细小、弥散,涂层的耐磨性能最好。
关键词:微纳米陶瓷热喷涂粉末;高速电弧喷涂;金属-陶瓷复合涂层;扁平化;显微组织;耐磨性能
1 试验材料及方法
试验选用市售常规尺寸的TiB2陶瓷热喷涂粉末(颗粒尺寸为420μm,纯度>95% ),微米级TiB2热喷涂粉末(<2μm)和纳米级Al2O3(20~40 nm)热喷涂粉末,不同尺寸的TiB2具有相同的化学成分和相。选用尺寸为14mm×0·3 mm的20G钢带作为金属外皮,将一定组成的常规尺寸TiB2、微米TiB2和纳米Al2O3与其它金属热喷涂粉末均匀混合后包裹于钢皮中,轧制成1·96 mm的铁基粉芯丝材(粉芯占丝材质量的35% )。粉芯中加入32%陶瓷相,为考察微纳米陶瓷热喷涂粉末的作用,加入细粉的质量分数不同,具体见表1。增加硬质相和金属基体间的润湿性是制备复合材料的关键[7],作者曾研究加入合金元素Cr、Ni和Al可以提高TiB2,Cr3C2和Fe基体的润湿性,形成较为理想的金属基陶瓷复合涂层[829]。因此,在粉芯中除了陶瓷热喷涂粉末,还加入Cr、Ni、B、Si等合金元素。
试验电压32V,雾化气体压力0·65MPa,电流180A,喷涂距离为200 mm。粒子的扁平花样收集试验装置见图1所示。采用光学显微镜观察扁平粒子形貌,并用WYKONT1100激光表面三维形貌仪测量了扁平粒子的平均厚度。
涂层的横截面经标准金相制样,采用OM、SEM和EDAX分析涂层的形貌和成分,涂层的孔隙率用灰度法测量。采用XRD分析涂层的相组成。涂层显微硬度测试:试样为在20G钢基体上沉积厚1 mm的涂层,制样后在HR2150A洛氏硬度计上测量硬度,载荷砝码100 g,加载时间15 s,在横截面上沿结合面到表面间隔约100μm取点测量。磨粒磨损试验在MLS223试验机上采用湿砂橡胶轮进行磨粒磨损试验,预磨1000 r,正式磨2000 r,对比试样为20G钢。使用精度为0·1 mg的电子天平称量涂层的质量损失。
采用激光共聚焦显微镜观察磨损后的涂层表面形貌。
2 试验结果与分析
2·1 粒子的熔化状态和扁平性能
采用图1装置在20G钢表面喷涂表1中所列的6种丝材,收集撞击在抛光不锈钢表面的扁平粒子。喷涂丝材的端头在电弧喷涂过程中被加热形成液滴,然后压缩空气将其破裂、雾化、加速,喷射到图1所示的平板上,少量粒子穿过小孔撞击在不锈钢表面,经过撞击、变形、固化三个基本环节形成扁平粒子。6种丝材形成的典型扁平粒子形貌见图2,相对应的粒子平均厚度测量结果见图3。
对比扁平粒子形貌发现,尽管丝材中含有相同陶瓷含量(32% ),但随着微米TiB2含量的增加,扁平粒子的形状逐渐接近于盘状,飞溅减少(图2a~d),粒子的平均厚度也随之减小(图3),扁平化程度得到了提高。粉芯中加入了10%的微米TiB2和纳米Al2O3丝材收集到的扁平粒子形貌见图2e,可以看出粒子的扁平性能优于图2a、b、c的粒子,而且粒子的尺寸略有减小。
电弧喷涂形成金属2陶瓷的粒子结构如图4所示,在喷涂过程中大部分陶瓷热喷涂粉末熔化形成液相,但有部分高熔点的陶瓷相保持固态,在随后的撞击、变形、冷却过程中或者形成飞溅,或者充当“核”加速凝固,减少了粒子变形和凝固的时间。从图2和图3可以看出,尺寸细小的陶瓷热喷涂粉末能增加雾化粒子的熔化程度,熔化的陶瓷相和熔融金属一起构成粘接相,提高了撞击粒子的扁平度。在喷涂过程中粒子在撞击时,如果拥有的动能相当,增加陶瓷相的熔化程度,一方面增加扁平化时间,另一方面增加粘接相质量,使粒子能够充分变形,因此减少固态陶瓷相的飞溅和改善了粒子的扁平化性能。作为对比用的金属丝材,形成扁平粒子的熔化程度最好,变形也很充分,但在HVAS喷涂工艺从以上结果和分析可以得出结论:细小的微纳米热喷涂粉末可以降低陶瓷相的熔点,增加其表面积,使部分先熔化的陶瓷相与金属基共同形成粘接相,改善了撞击粒子的扁平化性能。
2·2 涂层的显微组织分析
本研究中复合丝材形成的粒子,经历撞击、充分扁平化、凝固形成Fe2TiB2复合涂层。由于细粉含量为8%和32%的粉芯丝材形成的粒子扁平性能差别较大,因此重点分析这两种Fe2TiB2涂层的组织和性能差别,研究陶瓷热喷涂粉末尺寸的作用。两种涂层横断面典型形貌和成分分析见图5a、b。XRD分析发现涂层具有基本相同的相,相组成见图5c。
从图5a、b可以看出涂层的组织不存在分层、断裂及宏观裂纹等明显缺陷。但是细粉制备的涂层较为致密。测试含8%细粉Fe2TiB2的涂层孔隙率最大,达4%,而含32%的Fe2TiB2涂层孔隙率平均为2·6%。这是因为增加粒子的熔化程度可以减少扁平粒子的破碎和飞溅,增加结合性能,减少了孔隙率。涂层组织中有孔隙存在(图5a箭头所示),图5a和图5b中熔化金属包围的灰黑色区域主要为TiB2、FeB、Cr2O3和TiO2等陶瓷硬质相,浅色区域为Fe基自熔合金,浅灰条状区主要是Fe的氧化物。这些组织和成分也由EDAX和XRD试验证实。XRD分析结果表明涂层中的陶瓷相主要包括TiB2、FeB、Cr2O3、TiO2及TiC等(见图5c)。涂层的XRD分析中未见B2O3的存在,可能是因为在喷涂高温区低熔点物质存在高温气化现象(粒子的结构特点见图4),B2O3的熔点很低,因此未保留在涂层中。从图5a和5b的EDAX成分分析结果发现涂层中的陶瓷相成分与陶瓷热喷涂粉末有差别,这也证实了存在相变和反应。另外,发现含8%细粉丝材制备的Fe2TiB2涂层中Ti元素的含量比含32%的要低。通常认为含微纳米陶瓷热喷涂粉末多的丝材,由于陶瓷热喷涂粉末细小,具有较大表面积,更容易发生分解反应,因此在涂层中的沉积效率低于常规尺寸的陶瓷热喷涂粉末,那么推断Ti在8%细粉丝材制备的Fe2TiB2涂层的含量应该高于含32%细粉的丝材制备的涂层。试验得出的相反的结果可以用粒子撞击时发生的陶瓷相反弹和飞溅进行解释。当固液两相液滴高速撞击基体表面时,固相粒子的反弹和飞溅大小取决于液相的粘接能力,这种能力正比于液相的质量反比于驱动粒子飞溅的动量。因此较大的固相分数高的粒子结合较高的速度,导致陶瓷相的反弹和飞溅。由于含8%细粉的丝材在喷涂过程中形成尺寸大的未熔化的陶瓷颗粒多,在撞击时陶瓷相的反弹和飞溅严重,所以较粗的陶瓷热喷涂粉末形成的涂层主要由粘接相组成,而较细的陶瓷热喷涂粉末喷涂时则可以保留较多的陶瓷相。因此电弧喷涂粉芯丝材中添加微纳米陶瓷易于在涂层中沉积。
2·3 涂层的力学性能试验结果
几种涂层显微硬度的测试结果见表2。从表2可以看出,含有陶瓷相的5组涂层的硬度都较高,而且从涂层Fe28% 2μm TiB2到Fe220% 2μm TiB2平均显微硬度值差别不大,但硬度分布不同。这是因为微纳米结构涂层的陶瓷硬质相弥散分布,使各点硬度差别不大,而常规涂层的大颗粒硬质相使个别点的硬度值很高,虽然平均硬度值高但各点差别较大。图6所示为涂层Fe2TiB2(8%细粉)、Fe2TiB2(32%细粉)、Fe2TiB2/Al2O3(20%细粉)和碳钢的磨损质量损失比较。磨损后表面相貌见图7。从图6磨损试验结果看出涂层的耐磨性都高于20 G钢,其中含32%、2μm TiB2的粉芯丝材喷涂的Fe2TiB2涂层其耐磨性最好,是20G钢的7倍多,约为含8%、2μm TiB2的粉芯丝材喷涂Fe2TiB2涂层的2倍。在图9中看到,含32%、2μm TiB2的Fe2TiB2涂层除了陶瓷硬质相尺寸细小,分布更弥散外,还发现与含8%、2μm TiB2涂层的磨损机制不同。涂层含8%、2μm TiB2的Fe2TiB2表面有明显的犁沟和应变疲劳产生的显微裂纹(图7a),含32%、2μm TiB2的Fe2TiB2涂层磨损表面较光滑,而且陶瓷相有沿犁沟方向重新分布的趋势,降低了显微犁沟的严重性,而且未产生疲劳裂纹(图7b)。可以推断,继续磨损,含8%、2μm TiB2的涂层显微裂纹进一步扩展,导致大块涂层剥落,加速磨损。而含32%、2μm TiB2的Fe2TiB2涂层仍具有较高的耐磨性能。有关研究认为这与微纳米陶瓷热喷涂粉末可以提高涂层的韧性有关[7, 10]。
3 结论
(1)电弧喷涂制备Fe2TiB2复合涂层时,随着陶瓷相中陶瓷颗粒尺寸减小到微米级,液滴的熔化程度增加了,减少了陶瓷相的飞溅和反弹,粒子的扁平化程度提高,从而提高陶瓷相与金属粘接相间的润湿性。
(2)高熔点的TiB2陶瓷热喷涂粉末在电弧喷涂过程中存在飞溅和反弹现象,同时发生分解反应。
(3)添加微纳米陶瓷颗粒可以优化涂层组织,降低涂层的孔隙率,使陶瓷颗粒和显微硬度分布更均匀。
(4)常规尺寸陶瓷热喷涂粉末的Fe2TiB2涂层在磨粒磨损过程中产生大量疲劳裂纹,微米级TiB2陶瓷热喷涂粉末改变了涂层的磨损机制,有利于提高涂层的耐磨性。
参考文献略
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