超音速等离子喷涂氧化铝涂层组织性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 5 3 超音速等离子喷涂氧化铝涂层组织性能研究 王海军，郭永明，刘明，陆欢 装甲兵工程学院备再制造技术国防科技重点实验室，北京1 0 0 0 7 2 摘要采用超音速等离子喷涂工艺制备了氧化铝涂层。利用扫描电镜和纳米测试仪研究了电弧功率及 喷涂距离对氧化铝涂层的微观组织与性能的影响。试验结果表明功率为6 0k W ，喷涂距离为i 0 0m m 时涂层的孔隙率最低，微观硬度和弹性模量最高；氧化铝涂层的微观硬度和弹性模量主要受涂层中的孔 隙和微裂纹的影响，两者随电弧功率与喷涂距离的增大均呈现先增后减的相同趋势。 关键词超音速等离子喷涂；微观组织；性能 中图分类号1 7 4 ．4 4 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S O 0 0 5 3 一0 4 S t u d yo nM i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so f S u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y e dA I z0 3C o a t i n g s W A N GH a i - j u n ，G U OY o n g m i n g ，L I UM i n g ，L UH u a n N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yf o rE q u i p m e n tR e m a n u f a c t u r i n g ，I n s t i t u t eo fA r m o r e dF o r c e ，B e i j i n g1 0 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t A 1 20 3c o a t i n g sw e r ep r e p a r e db yt h es u p e r s o n i cp l a s m as p r a y i n gs y s t e m ．T h ee f f e c to fa r cp o w e r a n ds p r a y i n gd i s t a n c eo nA 1 20 3c o a t i n g s ’m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw a sc h a r a c t e r i z e db yS E Ma n d N a n o - i n d e n t a t i o nt e s t e r ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tA 1 20 3c o a t i n g sh a v et h el o w e s tp o r o s i t yr a t ea n dt h e h i g h e s tm i c r o h a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u sw i t h6 0k Wa r cp o w e ra n d1 0 0m ms p r a y i n gd i s t a n c e ．T h e m i c r o h a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u sw h i c harem a i n l ya f f e c t e db yc o a t i n g s “ p o r o s i t ya n dm i c r o - - c r a c k s ．i n - c r e a s ef i r s t l ya n dd e c r e a s ea f t e r w a r d sw i t ht h ei n c r e a s eo fa r cp o w e ra n ds p r a y i n gd i s t a n c e ． 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 ；M i c r o s t r u c t u r e ；P r o p e r t y 氧化铝陶瓷是目前世界上生产量最大，应用面 最广的陶瓷材料之一，其热喷涂涂层因具有优异的 耐磨、耐腐蚀、电绝缘等性能在很多领域获得广泛的 应用F 1 - 3 ] 。氧化铝涂层常采用等离子喷涂技术制 备，涂层的孔隙率、硬度和弹性模量是影响其电绝缘 性、耐腐蚀性及耐磨性能的关键因素。已有的文献 报道，A l z O 。粒子的温度、速度是影响粒子碰撞过程 的主要因素，直接影响等离子喷涂层的组织结构和 性能H _ ] 。超音速等离子喷涂技术是在普通等离子 技术基础之上，通过特殊的喷枪设计，使得喷涂粒子 在等离子射流中的飞行速度可达到6 0 0 ～8 0 0m ／s 以上，可以在较大范围内调节射流的温度和速度，较 容易获得性能优异的陶瓷涂层[ 6 _ 7 ] ，属于当今世界 等离子喷涂技术的前沿课题。笔者采用超音速等离 子喷涂技术制备氧化铝涂层，研究电弧功率、喷涂距 离等喷涂参数对涂层微观组织与性能的影响，为制 备高性能的氧化铝陶瓷涂层提供依据。 1 试验方法与材料 喷涂设备采用装甲兵工程学院装备再制造技术 国防科技重点试验室研制的超音速等离子喷涂系 统，工作气体为A r 主气 、H z 次气 、N 送粉气 。 选用S F I I 一1 0 C 型螺杆式送粉器送粉，送粉速率定 为3 0g ／m i n ，送粉气流量0 ．6m 3 ／h ，压力为0 ．7 基金项目国家自然科学基金项目 9 0 3 0 5 0 2 3 ；国防科技重点实验室基金项目 作者简介王海军 1 9 5 6 - - 。男，河北玉田人，高级T 程师． 万方数据 5 4 菊色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 M P a 。 采用Q u a n t a 2 0 0 型搦接电镜观察涂屡的表面 与截面影貌。震灰度嚣像分析法测定涂豢的孔敬 率。采用N a n oT e s t6 0 0 烈多功能纳米测试仪检i 雯l 涂层的硬度与弹性模量。N a n oT e s t6 0 0 腥头为三 棱锥形金刚石压针，最大载荷为5 0m N ，加戴和卸 载速率势0 ．3m N ／s ，最大簸荷持续对阔为6 0s ，每 个涂层表磷测试5 个点，位置随机选取，并骏其平均 值。 喷涂粉末选用纯A l 。0 。粉末，粒度为2 0 ～4 5 ／z m ，其形貌如图l 所示，粉寒由熔融破碎淡获得，呈 多角形状。 2 结果与讨论 在试验过程中，始终保持氩气流量 3 ．2m 3 ／h 与送粉逮零 3 0g ／r a i n 等溅索不变，采震革匿素变 动原则，单独改变电弧功率 通过单调节电流大小而 获得 与喷涂距离，研究两者对A l O 。涂层的微观 组织与性熊的影响。 圈lA 1 2 q 粉宋形貌 F i g ．1M i c r o g r a p ho fA i 锈P o w d e r 2 ．1 电弧功率对A l z 0 3 涂朦组织、性能的彩响。 喷涂电压定为1 5 0V ，通过调节电流值为3 6 0 A 、3 8 0A 、4 0 0A 和4 2 0A 而获得5 4k W 、5 7k W 、6 0 k W 、6 3k W 四个功率参数，喷涂距离为1 0 0m m 鳇 情浇下裁备的涂层断面形貔鳐图2 所示。从图2 可 以看出功率为5 4k W 时涂层最为疏松，这是由于 A 1 0 3 粒予的速度相对较低，熔化不充分造成的；随 着电流的增大，粒子的速度、滠度都有所增大，功率 先6 0k W 时涂层最致密，魏熬最多；当功察舞至s 3 k W 时，过高的温度致使粒予过熔团聚，粒子速度下 降，导致涂层孔隙又有所增多[ 8 ] 。 图3 最示了涂层孔隙率与电弧功率的关系，可 滋看出，在6 0k W 蘸孔敬搴随着功率增大迅速下 降，此后孔隙率略有上舞。 图4 为喷涂功率5 7k W 时，涂层纳米压痕的载 圈2 不同醭涂功率下A I 0 3 涂层断面形貌 F i g ．2M i c r o g r a p h so nc r o s s - - s e c t i o no f A 1 20 3C o a t i n ga td i f f e r e n ts p r a yp o w e r 图3 喷涂功率对涂层孔隙率的影晌 №3 E f f e c t so fs p r a yp O W e l “ o np o r o s i t yo fc o a t i n g 蕊一位移兹蕊线豳，通过该蓝线霹以褥笺涂接的檄 斌硬度及弹性模擞分剐是1 6 。6G 觏与1 9 9 ．0G P a 。 图5 显示了涂层微观力学性能岛电弧功率的关系， W 以看出涂层的微观硬度和弹性模量均随着电弧功 摩的增大先增大詹减小，这主要巍涂层中孔黢及微 袈纹的变纯弓| 起，涂层中魏骧、微裂纹越少，涂瀑鹃 硬度和弹性模量就越高，两者变化趋势相似，所以它 们之间可能存在对应关系。功率为6 0 k W 时，涂层 的微观硬度和弹性模量达到最高值，分别为1 7 ．5 G p 鑫纛2 0 5 。6G P a 。 2 ．1 喷涂距离对A l 侥涂层组织、性能的影响 图6 是喷涂功率在6 0k W 1 5 0V 4 0 0A ，喷 涂距离为7 0m m 、9 0m l T l 及1 1 0m m 时制备的涂层 凝薅形貌。结含图2 可以看出，唆涂距离为7 0m m 辩，由于超音速等离子喷涂氧讫镪粒子速度菲常嵩 6 0 0m ／s c “ ，粒子加热时间太短，尚未达到较好。 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 5 5 ，，●让叫J 图4 涂层纳米压痕的载荷一位移的曲线图 F i g ．4G r a p ho fn a n oi n d e n t a t i o no f l o a d i n g - - d i s p l a c e m e n to fc o a t i n g s 的熔融状态，导致涂层疏松，孔隙较大；9 0m m 时粒 子温度有所上升，涂层孔隙减少；1 0 0m m 时涂层最 为致密，孔隙最少；当喷涂距离加大到1 1 0m m 时， 由于喷涂距离增大，粒子温度继续上升，部分粒子过 熔，涂层表面出现微裂纹 如图7 所示 ，粒子过熔团 聚导致速度下降，致使涂层致密程度降低，孔隙率增 大。在不同喷涂距离下制备的涂层的微观力学性能 如图8 所示，可以看出涂层的硬度和弹性模量随喷 芒 o 、 魁 斟 功率／k W ￡ o 、 期 蟠 置苎 最 图5功率对涂层硬度及弹性模量的影响 F i g ．5 E f f e c t so fs p r a yp o w e ro nh a r d n e s s a n de l a s t i cr a t i oo fc o a t i n g s 涂距离的增大也呈现先增后减的趋势。当喷涂距离 较小时，粉末熔化不充分，涂层疏松，孔隙较多，涂层 的硬度和弹性模量非常低；随着喷涂距离增大，粒子 得到充加热，涂层孔隙减少，硬度和弹性模量增大； 但当喷涂距离过大 ≥1 1 0r a m ，由于A l z O 。粒子加 热时间过长导致涂层中产生微裂纹后，涂层的硬度 和弹性模量又有所下降。 图6 不同喷涂距离下A l 0 3 涂层断面形貌 F i g ．6M i c r o g r a p h so nc r o s s - - s e c t i o no fA l z 0 Ic o a t i n g sa td i f f e r e n ts p r a yd i s t a n c e 图7A l 0 3 涂层的表面形貌 F i g ．7M i c r o g r a p h so fA 1 20 3c o a t i n g 3结论 1 在文中试验条件下，6 0k W 与1 0 0m m 是超 音速等离子喷涂制备氧化铝涂层的最佳的功率与喷 莓 、 簦 菩 函 罄 蓑 图8 喷涂距离对涂层硬度及弹性模置的影响 F i g ．8 E f f e c t so fs p r a yd i s t a n c eo nh a r d n e s s a n de l a s t i cr a t i oo fc o a t i n g s 涂距离。此时，涂层的孔隙率最低，硬度和弹性模量 最高； 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增翻 2 A 1 。O 。涂层的微观硬度和弹性模慧主要受 涂层的孔隙巍微裂纹的影响，随着电弧功率琴疆喷涂 距离酶增大均呈先增后藏瓣趋势，变托薅势一致。 参考文献 [ 1 ] N o g u e h iK 。N i s h i d aM ，C h i b aA ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fl o w p r e s s u r e p l a s m a s p r a y e d C o N i C r A l Yc o a t i n g [ A ] 。／／P r o c e e d i n g so fI T S C ’9 s [ c ] 。 K o b e ，1 9 9 5 4 1 1 4 1 6 ． [ 2 ] 罗新华，艳国然，居志兰．离子喷涂氧化锅陶瓷组织 D ] - 南邋大学学报，2 0 0 7 ，6 1 { 8 3 6 6 。 [ 3 】羯矮德，尹恚塾，燹霞疆，簿。锻添燕对等瓷孑唆涂氧 亿铝涂屡朦擦磨损性能懿影响[ j ] ．祝械量入，2 0 0 7 5 3 4 3 6 ． [ 4 ] 范群波，蔗鲁，王富耻．镣离子喷涂金属／陶瓷颗粒的 瞬态碰撞聪力研究[ j ] ．北京理工大学学报，2 0 0 3 ，2 3 Z 1 6 8 1 7 0 ． [ 5 ] 齄欢，王海军，踯永龋，等。超音速等离子喷涂参数对 羧予逮囊溢囊戆彩穰西] ．孛莺表瓣誓程，2 0 0 8 ，2 1 1 1 9 ～2 3 ． [ 6 ] 王海军，蔡江，韩悫海．超音速游离子与H V O F 喷涂 W C C o 涂层的冲蚀磨损性能研究∞] ．材料工程，2 0 0 5 4 5 0 一5 4 ． 【7 】轻玉萍。憝音速簿蹇手囔涂受微米／绫寒w e C o 涂滋 性能研究[ D ] ．j E 京装甲兵工程掌院研究生毕监论文。 2 0 0 5 ． [ 8 ] 王海军，郭永明，陆欢，等．电弧功率对超音速等离乎 喷涂氧纯镪粒予状态及涂层性姥的影鹃D ] 。装荦凝慧 疆学莸学壤，2 0 0 7 ，2 1 s l S 1 8 。 [ 9 ] 陆欢．超音速等离子喷涂粒子特饿及涂层性能的影响因 索研究[ D ] ．j B 索装甲兵工程学院研究生毕业论文， 2 0 0 8 ． 上接5 2 两 2 利用S i O 溶胶对等离子喷涂的氧化锆涂层 进行封孔处理，S i O 溶胶可浸入氧化锆涂层的微 藐，并填满魏漏，降低涂层表露粗糙度，形成有效封 孔。 3 封孔处理可显著提高涂层的耐腐蚀性能，对 基体有良好的保护作用。 参考交靛 [ 1 ] M i s h r a lRS ，M a h o n e yMW ，M c f a d d e nSX ，e ta I ．H i g h s t r a i nr a t es u p e r p l a s t i c i t yi naf r i c t i o ns t i rp r o c e s s e d 7 0 7 5 A la l l o y [ 刀．S c r i p t aM a t e r i a l i a ，1 9 9 9 ，4 2 1 6 3 1 6 8 ． [ 2 ] Z H A Ox 幻一如珏g ，Z E N GK e l i ，X I Ej 融～g a n g 。 N a n o s t r u e t u r e dL a n t h a n u mZ i r c o n a t eC o a t i n ga n dI t s T h e r m a lS t a b i l i t yP r o p e r t i e s [ J ] ．J o u r n a lo fi r o na n ds t e e l r e s e a r c h i n t e r n a t i o n a l ，1 4 s u p p l e m e n t l 1 4 7 1 5 1 ． [ 3 ] 陈传忠．激光熔覆A 1 z0 3 T i O 。复合陶瓷涂层的微观 结构[ J ] ．硅酸盐学报，2 0 0 4 ，2 8 2 ；1 3 4 1 3 8 。 [ 毒] 赵骁衷，警竟虽，谢建尉，等．溶胶一凝获法在合成纳米 L a z 矗礴孛懿廉壤[ j 】。有色金瓣 冶炼帮分 ，璞程， 2 0 0 7 S 0 l 一3 ． [ 5 ] 阎瑞。马世宁，爨彳予．耐高温涂层封张剂的制备研究[ J ] ． 中国表面工程，2 0 0 3 1 1 3 1 9 ． 邸3 子裹搀，王亚瑟．降低热囔涂涂瑟魏隙率豹方法蠢3 ，掰 技术薪工艺涂麓技术研究进展缭述，2 0 0 6 1 I ；1 5 1 8 ． [ 7 ] 候峰，徐宏，关凯书，等．化学镀镰磷合金表面涂覆S i 魄 溶胶一凝胶封孔技术研究[ J ] ．表灏技术，2 0 0 4 ，3 3 2 2 8 2 8 。 万方数据