耐热钢表面等离子喷涂热障涂层性能研究
陈 飞,周 海,吕 涛等
热加工工艺技术与装备
1Cr18Ni9Ti奥氏体耐热钢在较复杂的工作环境下,单靠他自身的性能不能完全满足要求,因此为得到更好的耐热性能,喷涂热障涂层(Thermal Barrier Coatings)是一种便捷途径[1-5]。利用等离子喷涂技术在1828钢表面喷涂由表层(ZrO2+Y2O3)和底层NiCrAl组成的梯度涂层。梯度热障涂层TBCs的外层ZrO2主要起隔热作用,而中间层NiCrAl则起着保护基体抗高温氧化、腐蚀和增加中间层和基体结合力的作用[6-12]。
摘 要:利用等离子喷涂法在耐热钢1Cr18Ni9Ti基体表面喷涂NiCrAl+(ZrO2+Y2O3)陶瓷热障涂层,并进行高温隔热性能试验。试验结果表明,1Cr18Ni9Ti经等离子喷涂处理后表面形成陶瓷热障涂层且与基体结合紧密;经等离子喷涂处理后,表面陶瓷层的硬度显著增高,耐磨性能提高;经高温隔热性能试验,NiCrAl+(ZrO2+Y2O3)热障涂层隔热效果较为明显。用XRD,SEM检测了试样的金相组织、结构及形貌。
关键词:耐热钢;等离子喷涂;热喷涂热喷涂粉末;NiCrAl+(ZrO2+Y2O3);隔热性能
1 试验方法
将1Cr18Ni9Ti棒材用线切割机切割成为10mm×10 mm×1 mm的试样,喷涂涂层前用砂纸将表面磨光,以除去表面的油污和锈斑,然后再对试样表面进行喷砂处理,使表面具有一定粗糙度之后用超声波清洗仪清洗试样表面,并用丙酮清洗试样,等表面吹干后,将试样固定在旋转工作台上,启动旋转工作台,使之以180 r/s的速度转动,试样距喷枪的距离为110 mm。将NiCrAl热喷涂粉末放入送粉器中,启动等离子喷涂设备,通入适当氩气和氢气,将电源电流从450 A加大到530 A,等离子流产生,NiCrAl热喷涂粉末通过喷枪口时被熔化,以胶状形式自枪口喷出,喷到试样表面,逐步形成涂层。同时通入氩气和氢气作为保护气氛,在涂层形成过程中最大限度地减少氧化,保证涂层的致密度。喷涂(ZrO2+Y2O3)涂层时步骤和喷涂NiCrAl热喷涂粉末涂层相同,但试样与喷枪的距离为65 mm。具体参数见表1。
2 试验结果和分析
2·1 涂层截面显微形貌
图1是试样经过等离子喷涂后截面的SEM照片,从图中可以看出整个涂层由最外层的(ZrO2+Y2O3)热障涂层(表层)和中间的NiCrAl涂层(底层)组成。其中图中白亮层即面层厚度为160μm,中间底层厚度为200μm。NiCrAl和(ZrO2+Y2O3)之间有一个曲折的界面,这是由于试样喷完中间层后,在喷外层前,表面进行喷砂处理,使中间层表面有一定的粗糙度,以保证中间层与外层有良好的结合,而NiCrAl和基体之间的界面较平直且有一定的宽度[13214]。
2·2 涂层显微硬度分布
图2是等离子喷涂后涂层的显微硬度分布曲线,从图中可以看出,经等离子喷涂后试样的表面显微硬度显著提高,硬度值从表面到基体呈下降趋势,表面硬度最高达到HV1 100,基体硬度为HV300。
2·3 涂层相组成分析
图3是试样XRD能谱图,从中可以得出试样经等离子喷涂,表面成分主要是ZrO2和Ni3Al。
2·4 高温隔热性能实验
高温隔热实验是用自行研制的高温隔热性能检测仪测定,实验原理是将未处理的管子和喷有涂层的管子,在加热室内从室温加热到800℃高温,每隔5min记录2管内高温探头测出的温度值T1和T2,求出△T=T1-T2,并画出温度与时间的关系曲线。图4是未处理和喷涂后试样加热温度T1,T2与时间的关系曲线。通过曲线可以反映出喷涂热障涂层,其有效的阻碍了温度的传递,尤其是在加热温度较低的时候。但是当加热温度超过400℃度以上时,涂层的隔热效果有所下降,即使如此,当未处理试样温度达到800℃时,喷有热障涂层的试样温度却是770℃,二者温差值仍然达30℃,说明热障涂层就有较好的隔热效果。
3 结语
1)利用等离子喷涂法在耐热钢表面形成由Ni2CrAl过渡层和(ZrO2+Y2O3)陶瓷热障层组成的涂层。
2)喷涂后试样表面显微硬度显著增高,说明试样表面耐磨性能得到改善。
3)高温隔热性能试验表明,经过喷涂有CoNi2CrAl+(ZrO2+Y2O3)陶瓷涂层的试样在800℃高温下隔热效果良好,隔热值达到30℃。
图略
参考文献略
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