摘要: 采用不同的喷涂功率，在 Q235 钢表面喷涂氧化铝涂层，利用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、金相照相机和显微硬度计表征不同功率下 Al2O3陶瓷涂层的成分、表面和界面形貌、金相组织以及显微硬度。结果表明，等离子喷涂能在碳钢表面形成结构致密的 Al2O3陶瓷涂层，其与基体的结合主要以冶金的机械结合为主，硬度较基体有明显提高。XRD 分析表明，陶瓷涂层中主要的成分是稳定的 γ-Al2O3相，存在少量的 α-Al2O3，同时还有极少量的其他多晶相和非晶相。
关键词: 等离子喷涂; 陶瓷涂层; 碳钢; 性能表征
近几十年来，等离子喷涂技术进步迅速，在生产应用方面也取得了较大发展，己成为热喷涂技术中的最重要组成部分。等离子喷涂技术的特点是焰流温度高，能熔化几乎所有的材料，因而喷涂选材广泛［1 －2］，同时，其调节方便、适应性强、喷涂气氛易控，制备的涂层结合力强、气孔率可调，成本也较低。采用等离子喷涂的方法可制备耐磨、耐腐蚀、耐热、耐氧化、导电、绝缘等各类涂层［3］; 适用于各种基体，被喷涂的零件的尺寸范围宽，可作大面积的喷涂，也可对大型构件做局部喷涂［4 －5］，在工程机械领域得到了广泛的应用。
碳钢是我国目前应用非常广泛的一种钢材，但它们在特定工况下使用时易磨损、不耐腐蚀或者抗氧化性较差。Al2O3陶瓷涂层由于其良好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐氧化性以及电绝缘性，被广泛用作隔热涂层、绝缘涂层以及耐滑动摩擦磨损的涂层。实验表明，在碳钢表面等离子喷涂陶瓷粉末可以大大提高碳钢基体表面的耐磨性、硬度、耐腐蚀性、抗氧化性以及耐高温等特性，从而可以大大延长碳钢的使用寿命，减少原材料的消耗，节约企业的生产成本。本文作者研究了不同喷涂工艺对碳钢陶瓷涂层性能的影响，为等离子喷涂陶瓷涂层的工业应用提供了参考。
1 实验材料及方法
1. 1 涂层制备
喷涂前 Q235 钢基体需经除油、干燥、喷砂［6］处理，并通过预热基体改善陶瓷粉末材料撞击的湿润性能［7］，消除残余应力［8］，之后采用 DH-1080 型等离子喷涂系统制备 Al2O3陶瓷涂层。喷涂时的工艺参数: 过渡层材料为 KF-113 ( NiCoCrAlY2O3) ; 喷涂粉末为氧化铝 ( Al2O3) 陶瓷粉末; 喷涂功率为 30，35，40 kW; 喷涂的主气 N2，次气为 H2; 喷涂距离为 150 mm; 喷涂时间为 10 s。
1. 2 涂层性能表征
采用 D/Max-3B 型 X 射线衍射仪分析涂层成分和相结构; 采用 S-3000N 扫描电子显微镜观察基体和涂层的表面形貌，分析不同喷涂功率对试样表面的影响; 在奥林巴斯金相照相机下观察涂层与基体的金相组织，分析不同功率下涂层的金相组织以及高温喷涂对基体组织的影响; 采用 HXD-1000TM/LCD 数字式显微硬度计测定不同功率下喷涂试样涂层表面和截面的维氏硬度。
2 结果与讨论
2. 1 XRD 射线图谱成分分析
利用 X 射线衍射仪获得衍射图谱，通过对图谱进行分析和查阅 PDF 卡片，进而获得涂层的成分( 见表 1) 。图 1 示出了涂层成分的 XRD 衍射图谱以及晶体的晶面指数的标定。结果显示，在陶瓷涂层中主要的成分是稳定的γ- Al2O3相，存在少量的 α-Al2O3，同时还有极少量的其他多晶相和非晶相存在［9］，X 衍射实验结果说明等离子喷涂涂层质量好，在基体表面形成了稳定的Al2O3陶瓷涂层。
2. 2 SEM 扫描电镜观察形貌
2. 2. 1 表面形貌
图 2 示出了涂层试样的表面形貌。可以清楚地看到，涂层表面是由无数变形颗粒和孔洞所组成的，同时还有一些细小的黑色颗粒。变形颗粒主要为 γ-Al2O3，孔洞可能是由于高温熔融的颗粒冷却速度不同以及其他外界条件影响而形成的，而黑色颗粒则可能是一些氧化物等杂质影响所致的。从图中还可以看出，不同喷涂功率其孔洞的数量和大小是不一样的，其中 30 kW 喷涂所得涂层的孔洞数量较少，这是因为当喷涂功率为 30 kW 时，涂层的致密性较好［10］的缘故。
2. 2. 2 截面形貌
不同喷涂功率下涂层截面与基体截面的形貌如图3 所示。在喷涂过程中，由于基体与涂层之间材料物理特性存在极大的差别，金属散热快，而涂层则不易产生塑性变形，冷却时热收缩力难以得到松驰，在界面结合处容易产生裂纹［11］，故加入一层过渡层。
从图中可以看出，基体与过渡层结合面呈不规则的锯齿形，这是基体表面经过粗化处理 ( 喷砂处理)后形成的。喷涂时，高速飞行的熔融合金粒子碰撞基材表面后，沿着其表面流散铺展［12 －13］，冷却凝固后将基材的表面形貌复制，过渡层与基体之间主要为机械结合。
而金属过渡层与陶瓷层之间的界面有一定的厚度，厚薄也不均匀。陶瓷涂层与过渡层界面可以分为3 个亚区，第一亚区为微晶的陶瓷区，可能存在少量的金属成分; 第二亚区为非晶区，主要为黏结层金属成分［14 －15］，同时存在陶瓷成分; 第三亚区为近黏结层区，仅为过渡层金属成分，无陶瓷成分。可见金属与陶瓷的界面有一定的厚度，界面中包含了非晶、微晶、多晶等多种相［16］。非晶相可能包含了 Al2O3、Cr2O3以及 Ni 等非晶态，微晶、多晶相包含了 Ni、Cr 以及 NiO 等相。3 种不同功率下涂层的截面形貌显示，当功率为 30 kW 时，涂层与过渡层之间结合紧密，没有明显的夹杂，孔隙相对较少。
2. 3 金相组织观察
实验时试样表面进行一定的打磨 ( 细砂纸处理) 、抛光以及腐蚀处理。基体表面与不同喷涂功率下涂层的金相组织如图 4 所示。
经过观察和分析可得出以下结论:
( 1) 基体 ( Q235 钢) 组织为铁素体 ( F) 和珠光体 ( P) ，白色以及浅灰色区域为珠光体，黑色区域为铁素体; 表面涂层的组织主要为 γ-Al2O3。
( 2) 氧化铝陶瓷涂层基本呈片状组织形态，不同片层厚度不一样，片层与片层之间结合良好，而过渡层呈小片状结构，且与基体和表面涂层的结合程度相当好。
( 3) 金属 － 陶瓷界面有一定的厚度，但不均匀。同时由于各种因素的影响，不同喷涂功率所得涂层的厚度不一。
( 4) 当喷涂功率为 30 kW 时涂层的致密性较好。
( 5) 涂层中含有一些气孔。
( 6) 经过喷涂后的基体较未喷涂的基体其组织有明显的变化，这可能是由于喷涂时的高温使得基体经过了类似热处理的变化，使其相组成发生了一定的转变，使得组织的形状和大小也发生了改变。
2. 4 显微硬度的测定
通过测定不同喷涂功率试样涂层以及侧面的硬度来分析不同喷涂功率对涂层硬度的影响和喷涂时的高温对基体硬度的影响。
2. 4. 1 涂层与基体表面维氏硬度
测试基体和不同喷涂功率涂层的硬度时，选用0. 1，0. 25，0. 5，1，2，3，5 和 10 N 8 种不同的载荷，对于每一种载荷需要测涂层表面上 6 个不同位置的点，然后取其平均值，载荷保持时间为 10 s。所得结果如图 5 所示。
可以看出，经过喷涂后涂层表面的硬度都有了非常明显的提高，其中当喷涂功率为 30 kW 时，涂层的硬度值最高。
2. 4. 2 喷涂试样截面硬度
测量试样的侧面硬度时，对于不同喷涂功率下制备的试样，应选用对应功率下涂层表面显微硬度达最大值时所对应的载荷作为测试侧面硬度的载荷。由图5 可知，30，35，45 kW 下制备的 3 种试样选用的载荷分别为 1，0. 5，0. 25 N; 载荷保持时间为 10 s。测试时以离涂层截面最近的一点为坐标原点，然后向对面依次每隔 50 μm 测一个点，所得结果如图 6所示。
从图中可看出以下规律: 从涂层的边缘处开始，硬度值先上升后下降，最后趋于平衡，达到一个稳定的值。这是由于受到喷涂时的高温和颗粒沉积有先后的影响而造成的。在涂层的最边缘处，由于是在最后形成的，冷却速度很快，形成的裂纹和空洞较多，孔隙率也比较大，涂层的致密度较差，因此其硬度值较低; 在涂层中心处，由于颗粒沉积比较充分，速度比较一致，且冷却速度适当，涂层的致密性非常好，因此其硬度值最高; 离边缘涂层的距离越远，涂层逐渐变薄 ( 涂层厚度约为100 μm) ，硬度值逐渐降低，最后到基体时硬度值便保持稳定。功率为 30 kW 时，涂层的截面硬度最高，性能最优。
3 结论
( 1) 等离子喷涂在碳钢基体上制备的 Al2O3陶瓷涂层，涂层结构均匀、致密，截面条层状结构不明显，结合方式是以机械结合为主，结合性能优良。相对于碳钢基体，其表面的硬度有了很大提高。( 2) XRD 结果显示，陶瓷涂层中主要的成分是稳定的γ-Al2O3相，存在少量的 α-Al2O3，同时还有极少量的其他多晶相和非晶相，喷涂过程中氧化少，涂层质量好，在基体表面形成了稳定的 Al2O3陶瓷涂层。
( 3) 等离子喷涂工艺受多种参数的综合影响，如电流、电压、送粉速度、喷涂距离、粉末粒度等。本次实验中，在其他条件相同的情况下，选用 30，35，40 kW 3 种不同的喷涂功率进行了喷涂试验，结果表明，喷涂功率为 30 kW 时，涂层与过渡层结合优良，表面硬度最高，截面硬度分布均匀，综合性能最优，为最佳的喷涂工艺。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
