粉末的物理性能对热喷涂涂层的影响
陈国安，颜永根，杨王玥等
北京科技大学学报
摘要:在SUS316L不锈钢基体上，采用HVOF和DGS两种不同的工艺方法，分别喷涂WC-12C。和FeAI涂层，观察WC-12C。和FeAI粉末的颗粒形貌、粒度组成以及DTA，研究它们对热喷涂涂层质量的影响.通过表面粗糙度、显微硬度、形貌相以及X射线衍射谱等分析表明，球化程度高，颗粒大小均匀的粉末可使涂层的组织均匀，致密性好，结合强度高.采用HVoF方法喷涂WC-12Co涂层的质量最好，而采用DGS工艺喷涂FeAI涂层的工艺参数还有待于进一步优化.
关键词:涂层;热喷涂;颗粒形貌:粒度组成;DTA
热喷涂技术是一种重要的表面改性技术，可以根据不同地需求使基体表面获得抗腐蚀、抗氧化、耐高温、耐磨损等特殊的物理化学性能.热喷涂技术极大地丰富了基材的使用范围.涂层的性能是由喷涂材料、喷涂工艺等多种因素决定的.热喷涂材料除应满足使用性能要求外，还应具有较好的工艺性能如热稳定性、良好的润湿性、喷涂后形成的涂层的热膨胀系数尽可能与基体材料相接近等闭.
近些年来，超音速喷涂和爆炸喷涂是被广泛采用的两种喷涂方法，其喷涂的涂层质量较好，孔隙率低，结合强度高.而WC-12Co和FeAI涂层是最具代表性的涂层，耐磨耐蚀性能优良，本文则主要研究金属粉末材料的物理性能对热喷涂(超音速喷涂和爆炸喷涂两种不同工艺)涂层性能的影响.
首先对基体进行毛化处理.用多棱的金刚砂，在压缩空气的携带下，喷射到基体表面，形成粗糙的表面，并且除去表面的氧化层.最后，用压缩空气吹去喷沙面的灰尘.热喷涂工艺采用超音速喷涂(HVOF)和爆炸喷涂(DGs).其主要的工艺参数如下，超音速喷涂:试样转速120加in，送粉速度80g/min，枪口距试样距离即喷涂距离为380mm.爆炸喷涂:炮口与试样的距离为180刃n〔口，炮频4次，压缩空气压力0.4MPa，粉末流量20g/min，氧气与乙炔的总流量50L/min，流量比为1:2.
喷涂完成后，用丙酮溶液配合超声波清洗涂层，目的是在不破坏涂层的情况下，清除涂层上的油污和附着的脏东西.
1实验方法
基体材料采用SUs316L不锈钢，试样加工成40~巧0~x6~钢板.喷涂粉末采用国产的
FeAI粉末(成分为40%Fe)和美国PRAXAIR公司的WC-12Co烧结粉末(成分为W，12%Co，5%C;典型松装密度为3.9留cm，;流动性0.335/9).
2实验结果及分析
2.1粉末的物理性能
(l)粉末的形貌.粉末的球化程度越高，其固态流动性越好.在相同的工艺参数下，粉末的球化程度越高，喷涂工艺过程越稳定，送粉越顺畅，喷枪的火焰越集中，粉末的沉积效率也越高.相反，粉末的形状不规则，喷枪的火焰容易发散，粉末的沉积效率低.由WC-12Co，FeAI粉末的扫描照片(图l)可以看出:WC-12Co粉末颗粒的形状比FeAI粉末规则，而且WC-12C。粉末颗粒比FeAI粉末小.因此，在现场喷涂WC-12CO粉末时火焰的焰流长，而喷涂FeAI时火焰的焰流短并且强度低，有堵塞枪口的现象出现.
(2)实验粉末的粒度分析.用LS230库尔特激光粒度分析仪对粉末进行粒度分析，其分析范围为0.04~2000卿.在分析前先用超声波使粉末分布均匀.
粉末粒度范围及其粒度级别组成，对涂层的质量有着直接的影响.粒度分布范围过宽的粉末，其颗粒大小分布的均匀性较差，容易造成送粉速率不均，在枪体中粉末受热后，性能的差异较大，沉积在基体上也容易造成表面涂层性能的不均匀.通过对FeAI和WC-12CO粉末的粒度分析如(图2)可以得知:实验用WC-12Co粉末只出现了单峰，并且峰宽较窄，说明了WC-12C。粉末的粒度分布范围小，颗粒大小较均匀;而实验用FeAI粉末颗粒直径的分布呈现双峰现象，并且峰宽较宽，说明了FeAI粉末的粒度分布范围过大，颗粒大小不均匀，这也直接导致喷涂FeAI粉末后涂层不致密，涂层性能不理想.
(3)实验粉末的热分析曲线.为检验材料的耐温性能，采用热分析的方法，分别取实验用WC-12Co和FeAI粉末各巧mg进行高温稳定性能分析.选取的WC-12C0和FeAI粉末的颖粒度在100、200目左右，既改善导热条件，又不破坏样品的结晶度.
图3所示为实验粉末材料在400一1300℃的氮气气氛中的Dl’A曲线.在Dll’A实验中，样品温度的变化是由于反应的吸热(向下)或放热(向上)反应引起的，如相转变、结晶结构的转变、分解反应、氧化或还原反应等一般说来，相转变和一些分解反应产生吸热效应;而结晶、氧化等反应产生放热效应.
图3的WC-12C0曲线在低于1200℃的温度范围内一直处于平缓的下降阶段，说明WC-12Co粉末颗粒处于一种稳定状态，且能够在氮气气氛中承受1200℃以下的高温侵蚀.在1200一1300℃的温度范围内出现了两个小的放热峰和两个小的吸热峰.两个放热峰的出现，说明WC-12Co晶体处于非平衡状态.而两个小的吸收峰的出现则表明了WC-12Co粉末发生了相变，X射线衍射分析结果表明，在此温度范围内，游离态Co与WC转化成亚稳态的Co3呱C.
图3的FeAI曲线在1000℃以前的低温区间基本没有变化，说明FeAI粉末能够在氮气气氛中承受1000℃以下的高温侵蚀，而在1000℃以上曲线产生了明显的温度改变，说明材料发生了相变.FeAI曲线在1100℃附近出现放热现象，说明在制作过程中使粉末颗粒处于亚稳定状态.而在1150℃附近出现吸热峰，表明了FeAI，向FeAI的转变.
无放热现象，表明粉末形成涂层后整个温度区间都处于一种稳定状态，能够满足使用需求，得到的涂层表面光滑细腻.因此，在考虑使用温度区间时应注意到粉末的相变特性，同时还要考虑到材料的硬度变化，以保证其耐磨性和涂层表面粗糙度的稳定性，进而确定材料的稳定使用温度空间.
2.2涂层的物理性能与结构
(l)表面粗糙度的测量.用MitutoyoSJes201型粗糙度测量仪测量涂层的表面粗糙度如表1.观察试样的表观形貌，在本实验中，采用两种不同粉末喷涂的涂层中，HVOF喷涂的试样比DGS喷涂的试样表面平整性好.DGS喷涂后试样的表面颜色比HVOF的要深，原因是工件过热引起涂层氧化而发黑.由表1涂层的表面粗糙度值同样可以看出HVOF喷涂的试样表面较光洁，由方差比较得出HVOF喷涂WC-12Co涂层表面最均匀.
(2)显微硬度的测量.用LEICAvMHT3oM显微硬度计测量涂层的显微硬度(HV值)如表2.从表2可以明显的得出:对于同一种喷涂工艺，喷涂WC-12C。粉末涂层的显微硬度比喷涂FeAI粉末涂层的显微硬度值要高的多，因此WC-12Co涂层的耐磨性能要比FeAI涂层的耐磨性能好.而对于同一种喷涂材料，HVOF喷涂涂层各点的显微硬度值基本相等，而DGS喷涂涂层各点的显微硬度值差别很大，说明HVOF涂层的组织分布均匀，而DGS涂层的组织分布不均匀.
HvoF喷涂WC-12Co涂层的显微硬度值最高，其主要原因是WC-12Co粉末是硬度较高的WC粉末颗粒作硬质相，用C。作粘结相，其喷涂层组织结构为强韧的金属或合金涂层基相中弥散分布硬质相的颗粒，而且WC颗粒在HVOF喷涂过程中分解和氧化的量小.而DGS喷涂FeAI涂层的显微硬度值太低，因为显微硬度计的金刚钻锥体压头压在硬质面上时，硬度就高:压在氧化物等非硬质面上时，硬度就低.气孔和氧化物夹渣造成了这些非硬质面的存在.
(3)涂层与基体的结合性能和涂层的抗热震性能.采用将试样放入加热到900℃加热炉中保温10min后，迅速放入水中，如此反复超过10次以上，涂层与基体之间以及涂层本身没有明显变化，则定性说明涂层与基体的结合性能和抗热震性能合格.经检验，HVoF，DGs喷涂WC-12Co涂层合格，涂层与基体之间结合良好，涂层表面无隆起;而11V0F，DGS喷涂FeAI涂层基本合格，涂层与基体之间有少量微裂纹，涂层表面有区域微微隆起.
(4)涂层的形貌.在扫描电镜上分别使用二次电子探头与背反射电子探头观察涂层断面试样的形貌相.
由图4(a)和(c)可以看出，采用WC-12C0粉末，本实验两种不同喷涂工艺的涂层与基体结合的很好，致密性高，孔隙率很低，并且组织很均匀.由二次电子像同样可以看出WC-12C。涂层与基体相互配合，厚度估算为200林m，符合喷涂的要求.如果WC-12C。涂层太厚，容易剥落且可能因收缩应力过大产生裂纹或在边缘翘起与基材分离;若WC-12C。涂层太薄，则耐腐蚀性与耐磨性均达不到要求.
由图4(e)可以看出，FeAl涂层在形成的过程中不均匀，使得涂层的厚度不一致，而且与基体结合也很不理想，致密性比较差，孔隙比较多，组织不均匀.从图4(e)可以清晰的看出:薄薄的一层为FeAI涂层，涂层中黑色的为孔洞，可能是FeAI涂层与基体之间发生化学反应的结果.与WC-12C。涂层比较，FeAI涂层的致密性、孔隙率、结合的程度均有很大的差距.其原因有:①FeAI粉末的喷涂工艺还处于摸索阶段，其具体的工艺参数还有待于改进，而WC-12C。粉末的喷涂工艺参数已很成熟.②国产FeAI粉末的质量还需提高.其粒度分布范围太大，在喷涂前需过筛选取合适粒度级别的粉末;FeAI粉末的球化程度以及固态的流动性均不好，影响了涂层的性能.
(5)涂层结构分析.由WC-12C。粉末及涂层的X射线衍射谱(图5(a)，(c)(e))可以看出:WC-12C。粉末的初始相是WC，没有发现呱C和金属W的出现;HVOF喷涂WC一1ZCo涂层的X射线衍射谱与原始粉末很相近，出现了少量的呱C和含Co亚稳定碳化物Co3W3C;而DGS喷涂WC-12Co涂层的X射线衍射谱与原始粉末不太相同，出现了砚C，含Co亚稳定碳化物Co3孤C和金属W，说明了爆炸喷涂DGS的焰流温度高导致了WC颗粒的过热，发生了一定量的分解和氧化反应.己有文献结果表明，复杂碳化物C氏砚C使涂层的耐蚀性降低I6，.HVOF法喷涂WC-12Co涂层中C伪砚C等碳化物的含量比DGS法喷涂WC-12Co涂层少，因此采用HVOF工艺喷涂WC-12Co涂层的耐腐蚀性好将比采用DGS工艺喷涂WC-12C0涂层的耐腐蚀性好.由FeAI粉末及涂层的X射线衍射谱(图5伪)，(d)，(助可以看出:FeAI粉末的初始相主要是FeAI，和A12O3相;HVOF法喷涂FeAI涂层的主要相是FeAI相和一定量的A12O3相;DGS法喷涂FeAI涂层的主要相是FeAI相，FeAI，相和A120，相.由于锌在FeAI，中能形成稳定的固溶体，而且DGS法喷涂FeAI层是一种层状的结构，不利于锌元素的扩散反应阁.因此如将此涂层构件用于耐锌液腐蚀，采用DGS工艺喷涂FeAI层耐锌液腐蚀的效果更好，而本实验中DGS法喷涂FeAI层中基体与涂层的结合强度较低，其工艺参数需要进一步优化.
3 结论
(l)粉末的球化程度越高和粉末的颗粒大小越均匀，喷涂后涂层的组织均匀，致密性好，涂层与基体的结合强度高.
(2)通过形貌观察、测定显微硬度值等手段，采用HVOF法喷涂WC-12Co工艺时，涂层与基体的结合最好，而采用DGS法喷涂FeAI涂层的工艺参数还有待于进一步优化.
参考文献略
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