热喷涂铁铝合金涂层
史雅琴,辛 钢,高 阳
大连海事大学学报
摘要:采用光学显微镜和显微硬度计等仪器,研究气体爆燃时,铁铝涂层的表面形貌、显微硬度的变化.当单位时间内提供粉末能量减少时,喷涂涂层的微观组织是黑白相间的片层组织.增加单位时间内提供粉末的能量.可得到均匀的组织涂层.当氧气和乙炔流量比为1时,涂层中各点的显微硬度近似相等,显微硬度值为552HV0.2.选用新型耐锌腐蚀涂层材料———铁铝合金材料,在工件表面喷涂铁铝合金保护层,探讨铁铝合金材料涂层质量与喷涂工艺的关系,从而获得最佳的耐锌腐蚀涂层.
关键词:热喷涂;铁铝合金;耐锌腐蚀;涂层
0 引 言
铁铝合金具有良好的耐高温腐蚀性能,但铁铝合金既是脆性材料,又具有较高的硬度,难以进行机械加工,故不能被广泛地应用于生产实践中.20世纪初出现的热喷涂工艺,经过一个世纪的发展,已经广泛地应用于各个领域,把铁铝合金制成粉末,然后用热喷涂方法进行加工,在结构材料表面形成铁铝合金涂层使工件能够应用于高温腐蚀环境中.
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔融状态,并通过气流吹动使其雾化并高速喷射到零件表面以形成喷涂层的表面加工技术.热喷涂技术具有两个最基本的特征,一个是需要热源加热喷涂材料;另一个是喷涂层与零件基材之间主要是机械结合.喷涂层与基体之间,以及涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合、填充等机械形式连接,其次是微区冶金结合及化学键结合自熔性合金粉末,尤其是放热性自粘复合粉末问世以来,出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层之间微区冶金结合的组织,使结合强度明显提高.[1]
1 喷涂方法
目前应用的热喷涂技术中等离子喷涂、高速火焰喷涂和气体爆燃喷涂是几种常用的喷涂技术.本文就是使用高速火焰喷涂和气体爆燃喷涂的方法在试样表面形成涂层.
高速火焰喷涂设备是通过控制柜调节送粉量及可燃气和氧气.用氮气作载气,输送和调节送粉量,通过气体入口,氧气与可燃气混合并在较高压力下燃烧.当高温气流离开燃烧室时,经膨胀嘴加速形成超音速焰流.用氮气将粉末雾化,经粉末口送到中央的粉末通道.粉末经加热、加速后撞击到工件表面,形成高质量的涂层.[2]
热喷涂的基本工艺流程如图1所示.工件经过表面预加工处理后,再依次进行底层、工作层喷涂,最后进行喷后处理,如机械加工、封孔等工艺加工,完成工件的热喷涂加工.为了提高涂层与基材间的结合强度,工件表面的预处理是至关重要的工序,甚至关系到喷涂工程的成败.[3]工件的待喷涂表面预处理,通常是指表面净化预加工、粗化等内容.
2 涂层制备
实验选择的铁铝喷涂材料粉末,是在氩气保护条件下将工业纯铁和纯铝按摩尔比为1∶3.5混合,用高频电弧炉加热熔化,同时进行电磁搅拌,然后将合金熔液雾化急冷形成粉末.
首先,将试样的基体材料表面进行预处理,试样基体材料为45#钢,对基体表面进行喷砂处理,使表面粗糙度Rz大于6.3.[4]用压缩空气吹净喷砂粗化面的灰尘.然后,尽快完成试样的喷涂,防止在空气中发生表层氧化,影响涂层与基体的结合力.由于气体爆燃喷涂获得的涂层组织与喷涂工艺关系密切,通过控制氧乙炔流量等工艺参数,可获得不同组织的涂层,当氧气和乙炔的总容量为44 L/min,按流量比为1,1.1,1.2,1.35,分别喷涂1#,2#,3#,4#试样,喷涂层厚度为350~400 mm,如表1所示.
本实验中制备铁铝涂层主要是使用国产DN-2型气体爆燃喷涂(DGS)设备.把喷涂后的试样切成小块然后镶嵌、研磨、抛光,在光学显微镜下放大100倍,观察涂层的截面组织照片,如图2所示.
氧气和乙炔的流量比明显影响涂层的微观组织.上述1#~4#涂层微观组织形貌均呈现出黑白相间的两层.黑色层是铁铝与氧化铝的混合相,白色层是铁铝合金相.随着氧乙炔流量比的增大,涂层中的黑色层宽度增加,白色层宽度减少,黑白两相宽度变化明显,同时涂层中的孔隙率也逐渐变大,如图3所示.
气体爆燃喷涂技术中,喷涂时爆炸产生的能量和冲击波是脉冲式的变化,而粉末被载气均匀地带入枪体内,即喷涂过程中,粉末的供给是均匀连续的,而由气体爆炸所提供的能量是间断的,这样的工艺特点造成粉末的熔化程度不同,粉末颗粒所携带的能量不同,从而形成片层状的黑白相间的断面形貌.此外,氧气的流量还决定着涂层组织的氧化程度,在乙炔流量越大时,氧乙炔爆炸反应所消耗的氧气量高,产生的能量高,粉末熔化就越充分,并且氧气剩余量少,涂层氧化量少,涂层中白色层比例就越高;反之,涂层中黑色层的比例就越高.
3 涂层截面的显微硬度分析
用HM-6型显微硬度计对四种工艺条件下制备的1#~4#涂层进行硬度分析.涂层中距离基体与涂层界面的不同位置,分别测得各点的显微硬度值.喷涂层的截面硬度分布如图4所示。
由图4可见,1#涂层硬度分布均匀;2#,3#,4#涂层硬度分布不均匀.氧气乙炔流量比与涂层硬度分布有一定的对应关系,氧气和乙炔的流量比为1时,1#涂层的显微硬度分布均匀,平均显微硬度值为552HV0.2,2#,3#,4#涂层硬度的平均值和1#涂层的硬度值相近,但在较大的范围内波动.
结合前面的涂层形貌照片,涂层中黑色层区域小,对应各处的显微硬度值变化较小,涂层的显微硬度均匀,涂层中黑色层区域大,涂层硬度值分布范围较宽,涂层的显微硬度不均匀.随着乙炔流量的减少,反应产生的能量也减少,粉末熔化程度和颗粒的动能降低.同时,氧的流量相对过剩,喷涂材料的氧化反应也增加,因此黑色层区域增加,并造成涂层中各点的显微硬度不均匀.
4 结论
(1)采用气体爆燃喷涂方法,控制热喷涂的工艺参数,能够获得不同的相组织的合金涂层.爆炸气体的点火频率显著地影响着涂层组织.当点火频率低时,喷涂涂层的微观组织是黑白相间的片层组织.当点火频率达6次/s以上,同时提高氧乙炔的流量,可得到均匀组织涂层.
(2)随着气体爆燃喷涂过程中氧气和乙炔的流量比增加,铁铝层中各点的显微硬度值发生较大变化,当氧气和乙炔的流量比为1时,涂层中各点的显微硬度近似相等,显微硬度值平均值为552HV0.2.
参 考 文 献略
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