等离子喷涂钼基非晶-纳米晶复合涂层的组织与性能
樊自拴, 孙冬柏, 俞宏英, 李辉勤, 孟惠民, 王旭东
材 料 热 处 理 学 报2 0 0 5年 4月
摘 要:一种多元素钼基非晶-纳米晶合金粉末(含C、Si、B、Cr、Fe、Ni、Mo等)作为喷涂材料,用大气等离子喷涂在316L不锈钢基体上制备涂层,用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、显微硬度仪分析测量涂层的组织和性能,并用谢乐公式计算晶粒尺寸。结果表明:所制备的涂层均匀致密,涂层含有非晶和纳米晶,颗粒尺寸为10~50nm;这种非晶纳米晶复合涂层的硬度和弹性模量分别高达1055HV和214.40GPa。
关键词:钼基合金; 非晶-纳米晶; 等离子喷涂; 组织与性能;热喷涂
非晶-纳米晶材料具有比传统材料更为独特和优异的耐蚀耐磨等性能,是很有发展前途的新型材料。目前,很难制得大块非晶-纳米晶材料,因而其应用主要被限制在薄带、细丝、粉末等范围[1~4]。相对而言,非晶-纳米晶涂层的制备过程比较容易,许多方法如热喷涂、电镀、化学镀、电刷镀、前驱体涂覆—热分解、化学气相沉积、物理气相沉积、涂料涂覆等都可用来制备非晶-纳米晶表面涂层。其中热喷涂是一种极具竞争力和有发展前景的技术[5,6]。Sanjay Sampath[7]和向兴华等人[8]分别利用等离子喷涂技术成功地制备出了非晶涂层;Kishitake[9]研究了热喷涂非晶涂层的性能,结果表明:热喷涂非晶涂层具有优异的耐腐蚀性;Jin[10]等人研究了Fe-Cr-B合金热喷涂层发现:摩擦过程中,涂层向非晶结构转变;Tellkamp[11]用热喷涂技术制备了纳米晶Inconel 718合金涂层。利用纳米化技术提高材料耐磨性能、非晶化技术提高材料耐蚀性能的特点,将纳米化技术与非晶化技术相结合,制备耐蚀耐磨综合性能优异的非晶纳米晶复合涂层不仅具有广阔的应用背景,还可为研究其形成机理、组织结构及性能提供良好的依据。
1 实验方法
钼基多元素合金粉末作为喷涂材料,粉末粒度为200~400目,其成分如表1所示,其衍射图谱见图1。基材为316L不锈钢,对其表面进行除锈、除油等清洁化处理,喷涂前进行喷砂粗化活化处理;采用GP-80大气等离子喷涂设备制备涂层,喷涂工艺参数见表2.用X射线衍射仪检测了涂层的晶体结构;2000FX型透射电镜观察等离子喷涂层显微组织;用HITACHI S-3500N型扫描电镜观察涂层形貌;用HVS-1000型显微硬度计测定涂层的硬度,所用载荷50g,保持时间20s,测量5次取平均值;用TriboIndenter纳米压痕测试系统测量涂层的硬度和弹性模量,所用载荷为1N,测量5次取平均值。
2 试验结果及讨论
2.1 涂层的晶体结构
图1(a)是钼基非晶粉末的X射线衍射(XRD)图谱,可以发现:钼基合金粉末中含有δ-FeMo、CrxCy和BN三种晶态物质,用衍射峰半高宽计算可以得到粉末中的晶粒大小均在30nm以下,其平均值为22·2nm,另外粉末中也含有一定量的非晶成分,由此可见这种钼基合金粉末属于非晶纳米晶粉末。图1(b)是钼基合金涂层的X射线衍射图谱,可以看出:涂层中比粉末中的非晶成分更多一些,也含有一些结晶相,这表明等离子喷涂过程中,熔化了的粉末在基体上沉积凝固,一些组分凝固成非晶,而另一些组分发生了晶化,最终得到了既含有非晶相又含有晶相的复合涂层,但是衍射峰并不尖锐,这说明结晶的晶粒非常细小。对照标准衍射图谱可以查出涂层含有NiMoN、δ-FeMo和BN三种物质。用衍射峰的半高宽经过谢乐公式(其中常数取0.94)分别计算了这两种物质的平均晶粒尺寸:NiMoN晶粒平均大小为24·4nm,δ-FeMo晶粒平均大小为24.7nm。由此可知:非晶纳米晶粉末作为喷涂给料,用普通大气等离子喷涂技术可以直接喷涂得到非晶纳米晶结构涂层。需要说明的是:在制备粉末原料中并不含氮元素,结果在粉末和涂层中都含有氮,这有可能是在制粉过程中,所用的氮雾化气体与一些成分反应所带入的。
2.2 涂层的微观结构
用透射电镜观察了涂层的微观组织结构,并进行了微区电子衍射分析,结果见图3。
从图2可以看出:钼基合金涂层的微观组织结构非常均匀,在均匀的组织结构中有析出相。图2(a)中观察的区域析出的颗粒非常细小,相应的电子衍射花样图2(b)是明显的非晶衍射花样,而在图2(c)所观察的区域中,析出的颗粒相对比较大,在相应的电子衍射花样图2(d)中可以发现:非晶的衍射环上镶嵌有晶态的衍射斑点,由于析出的颗粒非常细小,衍射斑点也比较弱。综合图2中涂层的微观形貌和微区电子衍射图可以发现:钼基合金涂层的微观组织结构主要是由非晶组成,同时涂层中也发生部分晶化,析出了非常细小的晶粒镶嵌在组织均匀的非晶基体上。同时测量了析出的晶粒尺寸,测定得到晶粒尺寸在10~50nm范围内,与利用X射线衍射峰半高宽计算得到的晶粒尺寸吻合,从而可以确定该实验得到的等离子喷涂钼基合金涂层是由非晶和纳米晶组成的复合涂层。
2.3 涂层形貌
用扫描电镜观察了钼基合金涂层的形貌,结果见图3,并进行了能谱分析,见图4。
图3是钼基合金涂层的形貌,从中可以看出:该实验所得到的钼基涂层比较致密,但也存在粘结颗粒间的结合缺陷,这是不同的熔化颗粒撞击基体形成的,是热喷涂涂层的典型特征,另外在涂层中还能观察到不同的区域,这表明涂层中存在成分不同的相,有成分偏析。图5是图3(a)中的黑点A的能谱分析图,从中可以看出,该黑点的成分主要是硅和铬,而涂层的主成分钼却很少;图6是图4(b)中的白色区域B的能谱分析图,从中可以看出,该白色区域的成分主要是钼,而涂层的其他成分在该区域内的含量都很少。
2.4 涂层的硬度
用显微硬度仪测量涂层横截面的硬度和表面的硬度,横截面的硬度值为956HV,表面的硬度值为1055HV;用纳米压痕仪测量涂层的微观硬度和弹性模量,涂层的表面硬度和弹性模量分别是13.81GPa和204.13GPa,截面硬度和弹性模量分别是14.06GPa和214.40GPa。由此可知:这种钼基非晶纳米晶复合涂层具有很高的硬度和弹性模量。这一硬度大大超过了普通钼基合金的硬度,这很可能是因为在喷涂过程中,熔化液滴的冷却速度处于形成非晶的临界点附近,液滴在冷却时发生了晶化并析出了纳米尺寸的NiMoN、δ-FeMo和BN硬质相,这些硬质相均匀弥散在涂层的非晶基体中,从而大大提高了涂层的硬度。
3 结论
(1)利用大气等离子喷涂工艺成功地制备出了一种多元素钼基非晶纳米晶复合涂层。
(2)涂层非晶基体中均匀弥散着纳米尺寸的NiMoN、δ-FeMo和BN硬质相,颗粒尺寸10~50nm。
(3)涂层具有很高的显微硬度,横截面的硬度为956HV,表面的硬度为1055HV。
(4)纳米压痕仪测量了涂层的微观硬度和弹性模量,涂层的表面硬度和弹性模量分别是13.81GPa和204.13GPa,截面硬度和弹性模量分别是14.06GPa和214.40GPa。
参考文献略
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