超音速等离子喷涂纳米防污陶瓷涂层研究.pdf

8 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 超音速等离子喷涂纳米防污陶瓷涂层研究 章德铭1 ，任先京1 ，马江虹1 ，冀晓鹃1 ，郭永明2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．装备再制造技术国防科技重点实验室，北京1 0 0 0 7 2 摘要以N i C r 合金为底层，含防污成分的纳米A l 0 r 1 3 ％T i 0 2 为面层，采用超音速等离子喷涂方法制 备纳米防污陶瓷涂层。研究了不同工艺对涂层截面形貌、孔隙率、显微硬度及结合强度的影响，探讨了 涂层的防污性能，获得了较优的喷涂工艺参数A r 流量3 ．6 ～3 ．8m 3 ／h ，H 2 流量0 ．4m 3 ／h ，电流4 0 0 4 2 0A ，电压1 5 0V ，喷距1 0 0m m ，送粉量3 0g ／m i n 。采用较优超音速等离子喷涂工艺制备的纳米防污 陶瓷涂层孔隙率可达0 ．8 ％，H V o ．a ≥9 8 7 ，结合强度≥3 5 ．1 5M P a ，并且抗海生物附着性能优良。 关键词超音速等离子喷涂；防污陶瓷涂层；纳米结构；组织与性能 中图分类号T G l 7 4 ．4 4 2文献标识码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 0 8 S O 0 0 8 2 一0 3 S t u d yo nN a n o s t r u c t u r e dA n t i f o u l i n gC e r a m i cC o a t i n g s P r e p a r e db yS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y i n g Z H A N GD e - m i n 9 1 ，R E NX i a n - j i n 9 1 ，M AJ i a n g - h o n 9 1 ，J IX i a o - j u a n l ，G U OY o n g m i n g z 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y 。B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a ； 2 ．N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yf o rR e m a n u f a c t u r i n g ，B e i j m g1 0 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h en a n o s t r u c t u r e da n t i f o u l i n gc e r a m i cc o a t i n g s ．i n c l u d i n gN i C rb o n d i n gc o a t i n ga n dn a n o s t r u c - t u r e dA 1 20 3 - 13 ％T i 0 2w o r k i n gc o a t i n gw i t ha n t i f o u l i n gc o m p o n e n t ，a r ep r e p a r e db ys u p e r s o n i cp l a s m a s p r a y i n gm e t h o d ．T h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eq u a l i t yo fc o a t i n g ss u c ha sm i c r o s t r u c - t u r e ，p o r o s i t y ，m i c r o h a r d n e s sa n db o n d i n gs t r e n g t ha r ei n v e s t i g a t e d ．T h ea n t i f o u l i n gp r o p e r t i e so fc o a t - i n g sa rea l s od i s c u s s e d ．T h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rs p r a ya r ea sf o l l o w i n g A rf l o w ，3 ．6 ～3 ．8m 3 ／ h ；H 2f l o w ，0 ．4m 3 ／h ；c u r r e n t ，4 0 0 - - - , 4 2 0A ；v o l t a g e ，1 5 0V ；s p r a yd i s t a n c e ，1 0 0m m ；p o w d e rf e e d i n g s p e e d 。3 0g ／m i n ．T h en a n o s t r u c t u r e da n t i f o u l i n gc e r a m i cc o a t i n g sf a b r i c a t e db ys u p e r s o n i cp l a s m as p r a y i n gw i t ho p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eg o o da n t i f o u l i n gp r o p e r t i e s ，a n dt h ep o r o s i t yc a nb e0 ．8 ％， H V 0 3 ≥9 8 7 ，a sw e l la st h eb o n d i n gs t r e n g t hi sg r e a t e rt h a n3 5 ．1 5M P a ． K e y w o r d s S u p e r s o n i cp l a s m as p r a y i n g ；A n t i f o u l i n gc e r a m i cc o a t i n g ；N a n o s t r u c t u r e ；M i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s 陶瓷材料因具有高的强度和化学稳定性，而被 广泛用于各种耐磨、耐蚀、耐高温等苛刻环境中工 作，包括作为涂层材料用以提高整体材料的表面性 能[ 1 ] 。其中，A l 0 。一1 3 ％T i O 涂层是目前应用最广 的一种复合氧化物陶瓷涂层，具有优异的耐磨、减 摩、耐蚀和精加工等综合性能[ 2 ] 。另有研究表明，纳 作者简介J [ 獬 1 9 7 7 一 ，男，山东青岛人。工程师，博士． 米结构的氧化铝钛涂层具有十分优异的强韧性、耐 磨抗蚀性、抗热震性及良好的可加工性能，粘结强度 是传统涂层的2 倍，抗磨损性是它的3 ～4 倍，抗冲 击性能也得到很大提高，目前已成功应用于美国海 军舰船零件的强化，收到了很好的效果[ 3 _ 4 ] 。 本研究的应用背景为海洋腐蚀环境下服役的工 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊8 3 件，对表面涂层的抗海生物附着性能也提出了较高 要求。常规的大气等离子喷涂方法由于焰流温度过 高，导致王俘瀣升和涂层热廒力较大，难戳保证较高 的涂层赢线度与结合强度。超音速等离子喷涂方法 则具有粒予熔化好、焰流速度快、基体温升小且结合 强度高的特点，特别适于巍熔点纳米氧化物陶瓷的 喷涂强】。撬海生物隆着的传统做法是在涂滋表面涂 刷防污涂料，虽具有毒效商量成本低的特点，但与基 体的附着力低、抗摩性能差，因此不适于在强摩擦使 用条件下的工件上使用[ 6 ] 。本研究采用醣污陶瓷的 成分设计，辩在纳来A l O 。一1 3 ％T i O 。团聚粉末孛， 掺杂防污裁，然后喷涂得蠲防污陶瓷涂屡。防污成 分在陶瓷涂层中分布均匀，阿长效防污，既满足了涂 层的耐磨、耐蚀等基本性能要求，又具备了良好的抗 海生物附蓊性能。 王实验材料及方法 1 ．1 底层材料 F i g ．1 1 ．3 超音德等离子喷涂试验 由于N i C r 合金涂层与碳钢、含金钢等有很好 的糕合性能，结合强度赢且硬度嵩，涂层组织致密， 锈够实理对基舔的有效防护。因就，底层零雩料采耀 我院研制的氧禽量低于0 ．0 0 0 7 ％的N i 一2 0 ％C r 合 众粉末，粒度为4 5 “ - 一1 0 0 Ⅱm ，形貌如图l a 所示。 1 ．2 面层材料 羰攒薄承镪露 A 1 0 0 珏 秘壤钛酸 H T i O 。 灸 主簧原料，用去离予水调浆，并加入硝酸调节溶液 p H ，然后加入一定比例的粘结剂、分散剂及消泡剂 进行球磨。采用离心式喷雾干燥设备对混均的浆料 进褥喷雾裁越，将一定粒度范围的藤聚墅予燥粉寒 在8 0 0 ～8 5 0 ℃遴行热分解处理，箕余返加下一次球 磨配料。然后在热处理后的纳米团聚粉末中添加一 定比例的防污剂，经机械搅拌混匀后进行喷雾制粒。 为获得致密度与球形度更拢的粉来，最后再进行等 离子球诧处理，经筛分选取粒度隽1 0 , 、, 4 5 弘m 的含 防污成分的A l 。0 。- 1 3 ％T i O 。粉束作为喷涂用面层 材料，粉末形貌见圈1 b 。 网1 热喷涂用粉束形貌 M i c r o g r a p h so fp o w d e r sf o rt h e r m a ls p r a y i n g 采用H E P J e t 型高效熊超音速等离予喷涂系统 制备纳米防泻陶瓷涂层，喷涂工艺参数如裘1 所示， 其中面层采用3 组工艺参数。喷涂翦，露鬻酮对不 锈镌基材迸行常规超声波清洗除锈及喷砂褪他处 理。底层厚度为0 ．0 6 ～o ．1 2m i t t ，面层厚度为0 ．3 ～O ．4m m 。 表1 超音速等离子囔涂工艺参数 T a b l e1 S u m m a r yo fh y p e r s o n i cp l a s m as p r a yp a r a m e t e r s 1 ．4 组绥蠛缝测试 采震麓l 誓A C } { l S 一3 5 ◇0 N 型摆接电子显微镜 S E M 及其自带能谱电子探针 E D S 观察涂层的 截露形貌，并对涂屡进行孔骧率测定稳微区镌谱分 橱。在珏M T S 臻显徽硬度诗上测试涂层截西盼 显微硬度，载荷为3N ，加载时间为1 0S ，取5 次测 万方数据 8 4 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 鬃的平均值。涂璎鳇结合强震测定按照G B ／T 8 6 4 2 - - 2 0 0 2 标准程W E 一1 0 A 万能材料试验辘上 进行，涂层的结合强度值为3 个数据的平均值。 2 试验结果与讨论 2 。薹涂屡薛显徽彩貔 图2 为不同工艺得到的涂层的截面显微形貌。 从图2 可以看出，涂层比较致密，并且底层与面层和 基体的结合良好。其中，l8 陶瓷麟层的显微孔洞最 多，藐隙率测定缮暴也表嗳，l 、2 8 、3 8 晦瓷藿嫠瓣 魏敝率分别为1 ．9 ％、1 ．1 ％和0 。8 ％。这是由予1 8 陶瓷面层的喷涂功率和焰流温度偏低，导致陶瓷粒 子熔化、铺展不够充分的缘故。适当提高喷涂功率 霹使陶瓷粒子在基馋表面有良好的镶展，更容易壤 脊瑟与层搭接掰产生的原始显微魏漏。魏箨，麓谱 分析的结暴表骥，面层巾畲有防污成分设计新需的 元素。这说甓，采尾翘啬邃等离子喷涂方法锱备缡 米防污陶瓷涂层的方案是切实可行的。 2 ．2 涂层的力学性能 图3 为不同工艺褥到的涂层的显微硬度与结合 强凄测定维莱。跌孛霹以看窭，28 黧3 8 涂层豹力 学性能相当，均比较理想；而1 8 涂层的喷涂功率低 且孔隙率高，因此力学性能最差，H V ㈧和结合强度 分别只有9 1 6 和2 7 ．2 4M P a 。3 8 涂层照具有最低 的孔隙率摹羹最高的结合强度 3 7 ．7 8M P a ，毽较高 的焰流澈度会导致纳米晶粒的长大。根据H a l l P e t c h 规律[ 7 ] ，显微硬度随晶粒尺寸的减小而增加， 因此，孔隙率较低且结合强度较高的2 8 涂层具有最 佳的显徽硬度筐 10 4 5H v 。．。 图2 涂鬃的截覆显徽彩貔 F i g ．2 C r o s s 。s e c t i o nm i c r o g r a p h so fc o a t i n g s 翻3 涂层的力学憾熊 F i g ．3 M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o a t i n g s 2 ．3 涂层的防游性能 本研究将表颟积为1 8c m 2 的3 8 涂层试样置予 3 0 0m L 人造海承审存放1 天，测褥防污成分的离子 浓度为0 。8 9m g ／L ，求得涂层中防污成分的离子释 放率为1 4 ．8 3 g ／ c m 2 d 。陶瓷涂层材料中不断 溶解释放出的离子态防污成分能像汞等重金属离予 一样，在涂层表面形成有毒溶液的薄层，凝固有机体 内蛋白质，有效的杀死海洋生物嘲。因此，本研究制 备的涂层具备良好的防污性能。 3结论 通过在纳米A 1 O 。一1 3 ％T i O 团聚粉末中掺杂 防污剂的成分设计，并采用超音速等离子喷涂方法 裁备续多| 之防污毽瓷涂豢。较饶懿喷涂王艺参数为 A r 流量3 ．6 ～3 。8m 3 ／h ，H 2 流量0 ．4m 3 ／h ，电流 4 0 0 ～4 2 0A ，电压1 5 0V ，喷距1 0 0m m ，送粉量3 0 g ／m i n 。得到的涂层致密，孔隙率可达0 ．8 ％，H V o l 3 ≥9 8 7 ，结合强度≥3 S ．1 5M P a 。该涂媛既满是了 耐磨、耐蚀等基本性熊簧求，且抗海生物附着性能 优良。 参考文献 [ 1 ] 王镶，薅蒋，裁爨。煞骥涂绣张缝梅A 毛娆／T i O z 涂垂芨 其应髑D ] ．材料科学与工艺，2 0 0 6 ，1 4 3 2 5 4 2 5 7 。 下转9 7 页 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 9 7 层的耐热性能良好； 图4 热处理前后镍基涂层微观形貌 F i g ．4 M i c r o s t r u c t u r eo fN i _ b a s e dc o a t i n g sb e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t i n g 2 镍基封严涂层经过5 0 0 ．1 2 、保温不同时间的 中温热处理后，涂层中有金属氧化现象，但与热处理 前相比涂层的微观结构变化不大。 参考文献 [ 1 ] 赖师墨．控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层 口] ．航空制造技术，1 9 9 5 S 1 5 3 5 5 ． [ 2 ] 杨贵铭，王明富，王廉士．涡浆6 发动机叶尖间隙的控制 技术[ J ] ．航空工程与维修，1 9 9 4 0 9 2 3 2 4 ． [ 3 ] 易茂中，张先龙，郑济宏，等．可磨耗封严涂层及其性能 评价[ J ] ．航空制造技术，1 9 9 8 3 3 ～5 ． [ 4 ] 朱立群，刘梦兰，王建华，等．飞机发动机封严涂层的研 究[ 妇．航空学报，2 0 0 0 ，2 1 s 1 8 5 8 9 ． [ 5 ] 王薇，张琦，黄予勋．发动机封严涂层的研究进展[ J ] ．航 空制造工程，1 9 9 6 1 1 3 4 ． [ 6 ] O f f i n o s k i ．P o r o u sm e t a la b r a d a b l es e a lm a t e r i a l U n t i e d S t a t e sP a t e n t ，4 6 6 4 9 9 7 3 [ P ] ．1 9 8 7 ． 上接8 4 页 [ 2 ] G o b e r m a nD ，S o h nYH ，S h a wL ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r e d e v e l o p m e n to fA 1 2 0 3 1 3 ％T i 0 2p l a s m as p r a y e dc o a t i n g s d e r i v e df r o mn a n o c r y s t a l l i n ep o w d e r s [ J ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 2 ，5 0 1 1 4 1 1 1 5 2 ． [ 3 ] 陈煌，林新华，曾毅，等．热喷涂纳米陶瓷涂层研究进展 [ J ] ．硅酸盐学报，2 0 0 2 ，3 0 2 2 3 5 2 3 9 ． [ 4 ] G e l lM ，J o r d a nEH ，S o h nYH ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n t a n di m p l e m e n t a t i o no fp l a s m as p r a y e dn a n o s t r u c t u r e dc e - r a m i cc o a t i n g s [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n gT e c h n o l o g y ， 2 0 0 l ，1 4 6 1 4 7 1 4 8 5 4 ． [ 5 ] 陆欢，王海军，郭永明，等．超音速等离子喷涂参数对 粒子速度温度的影响[ J ] ．中国表面工程，2 0 0 8 ，2 1 1 1 9 2 3 ． [ 6 ] 叶扬祥，潘肇基．涂装技术实用手册[ M ] ．第2 版．北 京机械工业出版社，2 0 0 5 1 3 1 1 3 4 ． [ 7 ] S h a wL ，G o b e r m a nD ，R e nR ，e ta 1 ．T h ed e p e n d e n c yo f m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fn a n o s t r u c t u r e dc o a t i n g s o np l a s m as p r a yc o n d i t i o n s [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，1 3 0 1 1 8 ． 万方数据