等离子与火焰喷涂镍铝涂层性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 8 9 等离子与火焰喷涂镍铝涂层性能研究 朱佳，张鑫，史明 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要采用等离子和火焰两种方法制备N i A l 涂层，对比了N i A l 复合粉末在这两种喷涂工艺条件下所得 涂层的硬度、结合强度和组织结构。实验结果表明采用等离子法制备的N i A l 涂层致密，涂层孔隙率低， 与基体的结合强度高，且涂层的硬度较高。 关键词N i A l 涂层，等离子喷涂，火焰喷涂 中图分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 s 0 一0 0 8 9 一0 3 S t u d yo nP r o p e r t i e so fA i rP l a s m aS p r a y e da n dF l a m eS p r a y e dN i A IC o a t i n g Z H UJ i a ，Z H A N GX i n ，S H IM i n g 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 A b s t r a c t C o m p a r e dN i A Ic o a t i n g sf r o mt h e i rh a r d n e s s ，b o n ds t r e n g t ha n dm o r p h o l o g yw h i c haref a b r i c a t e d b ya i rp l a s m as p r a y i n ga n df l a m es p r a y i n g ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eN i A Ic o a t i n gm a n u f a c t u r e db ya i r p l a s m as p r a y i n gh a sb e t t e rd e n s i t y ，l o w e rp o r o s i t y ，h i g h e rb o n ds t r e n g t ha n dh a r d n e s st h a nt h ec o a t i n g m a d eb yf l a m es p r a y i n g ． K e y w o r d s N i A lc o a t i n g ；A i rp l a s m as p r a y i n g ；F l a m es p r a y i n g N i A l 涂层是航空发动机的高温部件沿用已久 的防护涂层，具有抗氧化、抗热震、耐磨和抗大气腐 蚀等优良性能。该涂层主要采用热喷涂方法进行制 备，常被用作粘结底层，既能对基体提供保护，又能 增加工作涂层与基体的结合强度。其表面比喷砂粗 化处理的基体表面更不规则，因而工作涂层能与之 形成更强的机械嵌合。N i A l 底层在工作涂层与基 体之间起屏蔽作用，能将热喷涂涂层固有孔隙引起 的基体氧化或腐蚀程度降至最低。此外其膨胀系数 介于基体材料和工作涂层之间，且在机械及热负荷 下具有足够的韧性，能对因基体与工作涂层热膨胀 系数不同而产生的应力起“缓冲”作用。 热喷涂种类很多，通常选用等离子和火焰两种 方法制备N i A l 涂层。为了优化N i A l 涂层的制备 工艺，并为以后的工作提供参考依据，本文将从硬 度、结合强度及组织结构等方面对上述两种喷涂方 法制备的N i A l 涂层的性能进行比较。 作者简介朱佳 1 9 8 2 - - ，女，新疆人，助工，硕士． 1实验方法 粉体材料使用北京矿冶研究总院金属材料研究 所自制的复合粉末K F 一2 N i A l ，基体材料为4 5 钢，分别采用等离子和火焰两种喷涂方法制备厚度 约为0 ．3m m 的N i A l 涂层。 采用X J L 一0 3 型立式金相显微镜对涂层的组 织结构进行观察，比较两种喷涂工艺条件下所得涂 层的形貌特征，并采用M i v n t 图像分析系统对涂层 金相照片进行孔隙率的测量分析。 实验采用W D W 一1 0 0 A 型微机控制电子式万 能试验机测试涂层与基体的结合强度，并参照 G B ／T8 6 4 2 2 0 0 2 热喷涂抗拉结合强度的测定法 进行实验。方法如下在经喷砂预处理的圆柱棒端 面喷涂涂层，对偶件端面进行喷砂处理。而后用热 喷涂涂层结合强度专用胶进行对心粘接，粘接好的 样品放入烘箱，1 2 0 ℃烘干1 0h 后胶体完全固化，待 样品温度降至室温后进行涂层结合强度的检测。 万方数据 9 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 采用4 0 2 M V A T M 显微维氏硬度计对涂层的 硬度进行测试。参照国标G B ／T4 3 4 0 ．1 1 9 9 9 金 属维氏硬度试验的测定方法，涂层放大倍数为4 0 0 倍，测试力为3 0 0g ，保荷时间为1 0s 。 2实验结果与讨论 2 ．1 N i A I 复合粉形貌 N i A I 复合粉末的制备方法是采用团聚法将微 细铝粉包覆在镍粉表面而形成粒度均匀、包覆完全 的铝包镍复合粉末。包覆后的N i A l 粉如图1 ，从图 中可以看出N i A l 粉体表面较为光滑，颗粒粒度均 匀，且A 1 均匀完整的包覆在N i 粉颗粒表面。 图1N i A I 复合粉 F i g1 N i A Ic o m p o s i t ep o w d e r 2 ．2 组织分析 N i A l 粉末的喷涂过程是N i 、A l 间发生各种反 应的综合放热过程，从而生成N i A l 、N i 。A l 等金属 间化合物，使涂层与基体间形成微冶金结合[ 1 - s 3 。 图2 ～3 分别是等离子和火焰喷涂N i A l 涂层在不同 放大倍数下的金相照片。从图中可以看出涂层中离 散分布有大量片条状黑色相，为反应不完全的 A I [ 引，这是由于在喷涂过程中当颗粒被加热到铝的 熔点时，镍铝间发生剧烈的化合反应，同时伴随放出 大量的热，形成N i A l 、N i 。A 1 等金属间化合物，阻止 了A l 向N i 中的扩散‘5 一引。 图2 等离子喷涂N i A 涂层形貌 a 一1 0 0 X - b 一4 0 0 m g2M o r p h o l o g yo fA i rP l a s m aS p r a y e dN i A Ic o a U n g a 一1 0 0 ；b - - 4 0 0 X 图3 火焰喷涂N i A l 涂层形貌 a 一1 0 0 ；b 一4 0 0 X F i g3M o r p h o l o g yo fF l a m eS p r a y e dN i A Ic o a t i n g a 1 0 0 X ；b - - 4 0 0 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 9 1 通过M i V n t 图像分析系统对涂层孔隙率进行 测量，可知采用火焰喷涂法制备的涂层孔隙率为 1 ．5 4 ％，而采用等离子喷涂法制备的N i A l 涂层孑L 隙率仅为0 ．4 5 ％，由此可见等离子法制备的涂层更 致密，孔隙率低，涂层中未反应完全的A 1 分散均匀 且颗粒熔化更充分。 2 ．3 结合强度测试 由表1 中数据可以看出，等离子喷涂所得N i A l 涂层与基体的结合强度明显高于火焰喷涂，这是由 于等离子喷涂过程中等离子焰流温度高，粉末由送 粉气送入火焰的瞬间被熔化，并由焰流加速喷射到 基体材料上，在基体表面成膜的过程中N i 与A l 相 互扩散充分，得到的涂层孔隙率低且与基体的结合 强度好，故采用等离子喷涂制备的N i A l 涂层结合 强度明显高于火焰喷涂。 表1N i A 涂层结合强度测试结果 T a b l e1B o n ds t r e n g t ht e s tr e s u l t so fN i A c o a t i n g 2 ．4 硬度测试 对等离子和火焰喷涂法制备的N i A l 涂层进行 维氏硬度H V 0 ．1 测试。测试结果见表2 。采用等 离子法制备的涂层粉体颗粒熔化较为完全，涂层致 密且孔隙率低，故其硬度较高。由表2 中数据可以 看出，等离子法制备的N i A l 涂层硬度明显高于火 焰喷涂涂层硬度，这也进一步验证了上述结论。 表2N i A l 涂层维氏硬度测试结果 “ l h b l e2V i c k e r sl m r d n e s st e s tr e s u l t so fN i A Ic o a t i n g 样品编号1234平均 等离子 1 4 7 ．0 21 5 8 ．5 01 5 4 ．9 11 5 4 ．0 71 5 3 ．6 3 火焰1 1 2 ．4 01 0 4 ．8 09 8 ．4 91 0 8 ．9 51 0 6 ．1 6 3结论 采用等离子喷涂所得的N i A l 涂层致密，涂层 中未反应完全的A 1 分散均匀且颗粒熔化较充分， 涂层孔隙率低。仅为0 ．4 5 ％，与基体的结合强度高， 平均值可达3 4 ．8 9M P a ，且涂层的硬度较高，平均值 为1 5 3 ．6 3 。采用等离子法制备的N i A l 涂层各项性 能明显优于火焰喷涂制备的涂层性能。 参考文献 [ 1 ] JLH e ，KCC h e n ，CCC h e n ，e ta 1 ．C y c l i co x i d a t i o nr e s i s t a n c eo fN i ／越a l l o yc o a t i n g sd e p o s i t e do ns t e e lb ya c a t h o d i ca r cp l a s m ap r o c e s s [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g s T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 3 5 1 5 8 1 6 5 ． [ 2 ] A b e0 ，O h w aY ．O x i d a t i o no fN i A l ／A l z0 3c o m p o s i t e s f o rc o n t r o l l e dd e v e l o p m e n to fs u r f a c el a y e r sa n dt o u g h e n i n g [ J ] ．S o l i dS t a t et o n i c s ，2 0 0 4 ，1 7 2 5 5 3 5 5 6 ． [ 3 ] B o t t aWJ ，T o m a s s iR ，P a l l o n eEMJA ，e ta 1 ．N i A l ／ N i 3A I A 1 20 bc o m p o s i t ef o r m a t i o nb yr e a c t i v eb a l lm i l l i n g [ J ] ．S e r i p t aM a t e r i a l ，2 0 0 4 ，4 4 1 7 3 5 ． [ 4 3 樊湘芳，邱长军，刘瑞林．N i o A l 喷涂层反应烧结的组 织演变与结合机制[ J ] ．材料科学与工艺，2 0 0 2 ，1 0 1 8 3 1 8 5 ． [ 5 ] KW i e c z o r e k - C i u r o w a 。G a m r a tK ．N i A l ／N i 3A 1 - A 1 20 3 c o m p o s i t ef o r m a t i o nb yr e a c t i v eb a l lm i l l i n g [ J ] ．J o u r n a l o fT h e r m a lA n a l y s i sa n dC a l o r i m e t r y 。2 0 0 5 ，l 一6 ． [ 6 3 邱长军．N i A 1 涂层反应绕结时界面结构的择优演变 [ J ] ．材料导报，2 0 0 1 ．1 5 4 6 5 - - 6 6 ． [ 7 ] JD u s z c z y k ，JZ h o u ．I n - s i t ur e a c t i v es y n t h e s i so fN i 3 越 i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n da n ds u b s e q u e n td i f f u s i o nb o n d i n g w i t hd i f f e r e n ts t e e l sf o rs u r f a c ec o a t i n g [ J ] ．M a t e r i a lS o i - e n c e ，1 9 9 9 ，3 4 1 3 3 9 3 7 3 9 5 0 ． 万方数据