摘 要:介绍了超音速冷喷涂技术特点及工艺原理,测试了铜涂层的显微硬度、结合强度等重要指标,利用扫描电镜、X衍射、EDX测试手段观察了铜涂层组织形貌,分析了涂层相结构、残余应力状况和微区成分等特性。超音速冷喷涂铜涂层试验研究的结果表明,铜涂层的平均显微硬度高于铸态铜块体材料,涂层结合强度高;X衍射表明铜涂层无相结构变化,完全没有氧化现象,具有/性质的遗传性0;涂层的应力主要为压应力,有利于提高结合强度;试样热处理后,涂层与基体的界面处出现了微区扩散层,局部界面微晶化甚至消失。
关键词:冷喷涂;铜涂层;涂层性能
0 序 言
超音速冷喷涂技术(简称冷喷涂)是近几年来发展起来的一门新兴的表面工程技术。冷喷涂技术是基于空气动力学原理的一种喷涂技术。喷涂过程是利用高压气体通过缩放型拉瓦管产生超音速气流,粉末(1~50Lm)沿轴向送入高压气流中,形成气)固双相流,经加速后在完全固态下撞击基体,发生较大的塑性变形而沉积在基体表面上形成涂层。传统的电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂等热喷涂工艺由于喷涂材料被加热到熔化或半熔化状态,不可避免发生一定程度的氧化、相变、分解、蒸发、晶粒长大等现象。而冷喷涂工艺通过低温(<600e)、高速(300~1 200 mPs)固态粒子的碰撞实现沉积。
喷涂温度远低于材料的熔点,避免了氧化现象。适用于对温度、氧化、相变敏感等材料的喷涂。冷喷涂将在制备功能涂层和表面自身纳米化方面发挥重要应用价值[1]。目前国外冷喷涂在汽车、航天等行业上已得到一些初步应用[2],在国内对冷喷涂的研究还处于起步阶段[3]。
1 试验材料及方法
1.1 涂层制备
试验中喷涂材料选用气雾化法制备的纯度为99.85%球形铜粉末,基体为Q235钢。设备采用哈尔滨焊接研究所研制的冷喷涂系统,如图1所示。系统包括:高压气源、高压送粉器、拉瓦尔喷管、气体加热器和气体调节控制系统。喷涂工艺参数为:载气预热温度为310e、喷涂距离为20 mm、喷涂压力为2.1 MPa、送粉频率为15~25 Hz。
1.2 涂层热处理扩散试验
将试样分别在100,200,300e进行退火处理,保温时间为1 h,随炉冷却。
1.3 涂层性能测试方法
1.3.1 涂层显微硬度试验
试验采用静态压痕法测量显微硬度,型号为FM700显微硬度仪,加载时间30 s,放大倍数400,载荷100 g,按国家GB4342 84标准进行,压痕数5点,相邻两压痕中心距离至少为压痕对角线平均长度的2.5倍。
1.3.2 涂层结合强度试验
涂层结合强度测试采用粘结拉伸法,简图如图2所示。按照标准ASTM C633 79,在电子拉伸试验机上进行。试样采用Q235钢基体。在试样A端面喷涂涂层,厚度大于0.5 mm。用E 7胶将试样A涂层面与试样B粗化面粘合,100e固化3 h,室温静置24 h后进行拉伸。
1.3.3 涂层残余应力的测定
涂层残余应力是在X射线衍射仪上进行的,设备型号为Philips X.Pert型。
1.3.4 涂层X衍射
X射线衍射分析(XRD)试验在Rigaku DPmaxB型X衍射仪上进行,采用CuKA,辐射管压为50kV,管流为100 mA,扫描速度为4bPmin。
1.3.5 涂层形貌分析
将热处理后的涂层打磨抛光,采用FEI sirion型扫描电子显微镜观察其内部组织结构,利用SEM附带的EDX能谱仪分析热处理后涂层与基体间互扩散情况。
2 试验分析结果及讨论
2.1 涂层硬度和结合强度分析
涂层硬度是反映涂层质量的重要指标之一,在一定程度上反映了涂层的耐磨性。涂层结合强度是涂层性能(或质量)最重要的指标之一,它反映了涂层的力学性能。承受载荷的场合对涂层的结合强度有特殊的要求,否则,容易造成涂层剥离或脱落。涂层的显微硬度和结合强度测试结果如表1所示。测试结果表明,涂层的硬度分布比较均匀,铜涂层平均值为166.92,显微硬度值高出铸态纯铜块体硬度(92HV0.1)值90%,与拉拔态的铜材相当。导致冷喷涂涂层的显微硬度值高主要是因为冷喷涂过程存在强烈的冷加工硬化、涂层内应力和晶界高密度位错增加。
涂层结合强度测试的结果显示,断裂面均为涂层与基体的界面处,不出现在涂层内部。这说明涂层内部本身结合强度(内聚力)大于涂层与基体界面的结合强度。
冷喷涂与常规热喷涂的显著区别是,它依靠固态下粒子的塑性变形来实现涂层的沉积。所以粒子的飞行速度与原材料的塑性是影响涂层沉积的主要因素。喷涂过程中,粉末粒子通过超音速气流的拽力来加速,因为铜粉末有较好的球形度和粒度均匀性,有利于粒子的加速和粒子速度均匀性,而且塑性较好,容易实现变形充分沉积。在高速撞击过程中有可能出现热能激发的粒子微区熔化。因而这些因素都造成了铜涂层结合强度较高。
2.2 残余应力分析
材料表层的残余应力状态对材料性能有显著的影响。表2是铜涂层的应力测试数据与计算结果,可知涂层为压应力。关于残余应力的产生机理,一般认为,由于在颗粒每次高速撞击力的作用下,表面层会尽可能向四周展开,但是受到底层的材料阻止,于是在塑性变形层的一定深度范围内就产生了压应力。
2.3 XRD结果及分析
图3为铜粉及涂层的XRD结果。冷喷涂前后,衍射峰值晶面仍然是(111),(200),(220),(300)和(222),涂层的衍射峰值强度也不变,均说明铜粉末及涂层的晶体结构未发生变化。铜为面心立方结构而且衍射峰中未出现氧化相峰,表明涂层中不存在氧化物。这从侧面证明了在冷喷涂过程中,冷喷涂不会出现喷涂材料氧化现象,具有/性质的遗传性0。这对于其它的热喷涂工艺是无法比拟的,为冷喷涂实现沉积易发生相变、氧化金属乃至非晶、纳米晶提供了得天独厚的条件和优势。
试验结果已经证明,晶粒细化宽化峰符合Lorentz函数,微观应力宽化峰符合Gauss函数。仔细观察Bragg衍射峰还可以发现,各个晶面的宽化程度稍有些不同。这主要是由于各个晶面位错运动的点阵阻力即派纳力不同,导致各个晶面的滑移的难易程度不同,使得各个晶面的碎化效果和微观应力不一样,说明粉末材料在冷喷涂形成涂层后晶粒的晶面取向各不相同,结果反映在Bragg衍射峰宽化程度不同。由此可见,经过冷喷涂后的涂层与原始粉末材料相比,无任何相结构变化,只是晶粒尺寸和微观应力发生了变化。
2.4 热处理扩散试验
图4为铜涂层显微组织结构和在不同温度(分别为100,200和300e)退火热处理后的扫描电镜照片。相比较可知。退火处理后的铜涂层的孔隙率明显降低,铜涂层内部原有的颗粒之间的局部界面消失,原先大量存在的粒子界面被基本完整的结合体代替,主要原因在于退火处理时颗粒内部的原子向能力较高的颗粒界面处扩散所致,晶粒各向异性消失。退火温度越高,变形颗粒之间的界面越不明显。
为了验证热处理是否引起涂层与基体互扩散的发生,利用EDX能谱仪对图5中的a,b两点进行微区成分分析,结果列于表3,点能谱分析如图6。分析结果表明,基体中Cu元素的出现表明铜中出现了少量的Fe,C元素(图6b),同样表明了,基体中Cu元素的出现表明涂层中的Cu元素扩散到了钢基体中(图6a)。涂层中出现了少量的Fe,C元素(图6b),表明钢基体中的Fe,C元素扩散到涂层中。这说明钢基体与铜涂层界面热处理后存在元素相互扩散,形成了微区扩散层。微扩散层的出现有利于提高涂层与基体之间界面的结合强度,有利于实现界面连接强化。
3 结 论
(1)铜涂层的平均显微硬度值在166.92HV0.1,高于铸态的铜块体材料的显微硬度;涂层的结合强度高,涂层本身结合强度大于涂层与基体界面的结合强度。
(2)铜涂层无任何相结构变化,完全没有氧化现象,具有/性质的遗传性0;涂层的应力主要为压应力,有利于提高结合强度。
(3)涂层经300e热处理后,界面处出现了微区扩散层,局部界面微晶化甚至消失。
参考文献略
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