不同氧化铝粉末等离子喷涂氧化铝涂层的性能
朱晖朝,邓春明,周克崧,刘 敏
材料研究与应用
摘 要:分别以22.5~45μm(L粉)、5~40μm(M粉)和5~22.5μm(S粉)三种粒径的氧化铝为热喷涂粉末,采用大气等离子喷涂制备了氧化铝涂层.分别对三种涂层的结构和基本性能进行表征,并采用SprayWatch 3i设备测量粉末粒子在等离子焰流中的温度和速度.结果表明,S和L涂层的孔隙率较低,且大孔隙较少.在焰流中,S和L粉均具有较高的温度和动能,其涂层的显微硬度和结合强度均比M涂层高.S粉的沉积率最高,但涂层的生产效率较低.考虑生产效率和涂层的综合性能,选择L粉更合适.
关键词:氧化铝粉末;大气等离子喷涂;涂层性能
等离子喷涂制备的氧化铝涂层具有良好的化学稳定性、绝缘性和耐磨性,是目前重要的、应用最为广泛的陶瓷涂层[1-2].氧化铝的熔点不高,为2200℃左右,远低于等离子焰流的温度.在喷涂过程中,粉末运动速度快(约350 m/s),在焰流中停留时间短(几百微秒),如果粉末粒径过大,则不能确保粉末熔融而沉积形成涂层.粉末粒径过小不仅给送粉带来较大难度,而且细小粒子由于动能较小,较难进入刚性的等离子焰流中心,反而达不到熔融效果.因此,大气等离子喷涂制备氧化铝涂层的工艺中粉末粒径分布是很关键的.
粒子的温度和速度与等离子喷涂涂层的质量有直接关系.一般来说,当粒子温度超过其熔点时,较高的运动速度有助于涂层的致密度和结合强度更高.对于同一种粉末粒子来说,粒子的温度和速度是一种矛盾关系.粒子温度高,则粒子在等离子焰流加热时间长,粒子的运动速度也就不高.根据热源和粒子的温度与速度在涂层工艺优化中的重要性,近年来,人们开发出了粒子温度和速度测试设备,以指导等离子喷涂[3-5].这类设备是采用高速快门的CCD相机、数字成像技术和光谱解析光学等技术对等离子焰流中粒子的温度和速度进行测量.它除了可以检测粒子的温度和速度这两个关键指标,还可以反映涂过程中粉末流量的稳定性、电极的磨损情况和基体表面温度等信息,从而可实现等离子喷涂在线实时监控.该技术并不是测量单个粒子的温度和速度,而是对焰流中的多个粒子拍照和软件处理后获得瞬间粒子的平均温度和平均速度,因而具有代表性[6].
本文以三种粒径范围的氧化铝作为喷涂粉末,采用SprayWatch 3i设备测量等离子焰流中粒子的温度和速度,并对涂层的显微结构和基本性能进行表征.
1 试验方法与表征
以45号钢为基体,基体尺寸为D25.4 mm×10mm,除油、喷砂后以待喷涂.用粒径5~40μm的316L粉作为粘结层,粘结层涂层厚度为100μm.将上述经表面预处理的基体固定在直径为200 mm辊面上,试样的线速度为1 m/s.以三种粒径氧化铝作为热喷涂粉末,采用F6等离子喷枪制备Al2O3涂层,喷涂88遍,涂层的总厚度为450~700μm,其制备工艺参数列于表1.
采用称重法测量涂层的沉积率,即通过测量喷枪在辊上停留时间和辊喷涂前后的重量变化计算涂层的沉积率.其中测量精度为1 g.采用芬兰Osier公司生产的SprayWatch 3i设备测量粒子在等离子焰流中的温度和速度.采用带EDS的JL SM5910扫描电镜对粉末和涂层的显微结构进行表征.采用Leica DMIMR自带的图像分析软件测试涂层的孔隙率,其中涂层的图像为扫描电镜下得到.采用VD-MH-5型显微硬度计测试涂层的显微硬度,其中载荷为2.94 N,加载停留时间为15 s.采用上海合成树脂厂生产的结构胶作为粘结材料,按照ASTMC633标准测试上述两种涂层的结合强度.
2 热喷涂粉末
喷涂粉末为市场上购买的三种粒径分布不同的氧化铝粉末,即粒径为22.5~45μm(标为L)、5~40μm(标为M)和5~22.5μm(标为S).表2为三种氧化铝粉末的粒度分布.这三种粉末都为烧结、破碎粉末,均有尖锐的棱角.在相同的送粉参数下,L,M,S三种喷涂粉末的送粉量分别为36.0,30.0,27.4 g/min.说明在相同的粉末形态下粉末越粗,其流动性能越好.
3 结果与讨论
3.1 显微结构
图1为三种氧化铝涂层的剖面形貌.三种氧化铝涂层中,M涂层的孔隙率略高且孔隙偏大,大于10μm;L和S涂层的孔隙率略低,大部分孔隙的孔径小于10μm.三种涂层均呈明显的层状结构,这是等离子喷涂的特点.此外,在L涂层中还发现球形颗粒存在(图1(d)中白色箭头所指),这是由于粉末经等离子焰流熔融后,在到达基体形成涂层前,又重新凝固而沉积到涂层中.
3.2 涂层的沉积率
在相同条件下喷涂,涂层厚度可以反映涂层的沉积率.由图1所标注的三种涂层的厚度可知,用M粉所喷涂的涂层厚度最低.根据称重法测得M,L,S三种粉喷涂涂层的沉积率分别为35%,37%和44%,其中S粉的沉积率最高.但S粉的送粉量低(仅为27.4 g/min),涂层的生产效率较低,单遍沉积厚度为6.02μm,低于L粉的单遍沉积厚度6.47μm.
3.3 涂层的结合强度和显微硬度
表3为三种氧化铝涂层的显微硬度和结合强度.从表3可知, M涂层的显微硬度和结合强度最低,L涂层的最高.在相同的制备工艺下,涂层的显微硬度和孔隙率有直接关系.图1显示,M涂层的孔隙率较高,因此其显微硬度较低,比其他两种氧化铝涂层的显微硬度低100以上.三种涂层的结合强度都不高,均低于30 MPa.
3.4 讨 论
涂层的结构和性能与粉末粒子在等离子焰流中的物理化学行为有密切关系.图2为三种粉末的粒子在等离子焰流中的温度和速度.由图2可知,三种粉末的粒子温度和速度都有较大波动.其主要原因是等离子体的不稳定和粉末在焰流中的位置不同所致.等离子喷涂过程中由于功率变化而使等离子弧发生变化,致使弧温度和速度也发生变化,最终导致粒子的温度和速度出现波动[5].大气下等离子弧收缩,能量密度高,但是在等离子体径向温度和速度相差较大,粒子进入不同的区域获得的热能和动能也不一样.但是通过曲线还是可以反映粉末在焰流中的趋势.
三种粉末中,S粉粒子具有最高的温度(3100~3500℃)和速度(320~400 m/s);L粉粒子具有最低的速度(210~300 m/s),其温度(3000~3500℃)与S粒子接近;M粉粒子的温度比S粉粒子略低,但速度和S粉接近.虽然三种粉末的温度都已经超过氧化铝的熔点(2200℃),但过熔点和粒子在焰流中的停留时间才最终决定粉末的熔融状态.S粉和M粉的运动速度差不多,但是由于S粉较细,粒子温度更高,S粉更易达到充分熔融,所以S粉具有更高的沉积率.L粉较粗,在焰流中的运动速度较低、停留时间长,对氧化铝粒子的传热较充分,所以这种粉的大部分粉末比M粉具有更高的温度.图2(b)显示有一些粒子的温度低于3000℃,这是由于L粉中有体积分数15%的45~60μm,这些粗粉加热到3000℃比较困难.
粉末在充分熔融下有较高的动能冲击表面是形成致密和结合强度高的涂层的充要条件.从三种粉末的粒子温度和速度来看,S和L粉粒子均具有较高的温度,比M粉熔融充分;S和L粉粒子具有较高的动能(L粉速度低,但单个粉末的质量大),因此可以获得致密度和结合强度都比M涂层高的涂层.通过对三种粉的粒子温度和速度分析及三种涂层的性能测试可知,S和L粉均是比较好的涂层材料.但考虑到涂层的生产效率和涂层的综合性能,选择L粉更合适。
4 结 论
用M,S和L三种氧化铝粉末喷涂的涂层,其中S和L涂层的孔隙率较低,且大孔隙较少.在焰流中,S和L粉均具有较高的温度和动能,涂层的显微硬度和结合强度均比M涂层高.S粉的沉积率最高,但涂层的生产效率较低,其单遍沉积厚度为6.02μm,低于L粉单遍沉积厚度6.47μm.考虑生产效率和涂层的综合性能,选择L粉更合适.
参考文献略
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