电弧喷涂制备含非晶_纳米晶涂层及其性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊7 5 电弧喷涂制备含非晶／纳米晶涂层及其性能研究 蒋建敏，傅斌友，贺定勇，李晓延 北京工业大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 2 2 摘要采用电弧喷涂技术。在低碳钢基体上制备了古非晶／纳米晶铁基涂层。利用光学显徽锈、扫摧电 镜、透射电镜和x 射线衍射仅对涂层形貌、显傲组织结构和相组成进行了研究。结果表明，涂层各区域 的组织均匀一致，由熔融和半熔化状态的液滴的连续堆积而成层状，致密度高，孔踪率低，氧化物古量较 步。并具有很高的硬度和耐磨性，显徽硬度为13 9 3 ．5 2H Ⅶ_ l ’同等试验条件下，涂层耐磨粒磨损性能为 0 2 3 5 锕的1 8 ．7 倍。 美t 调电弧喷涂；非晶／纳米晶涂层；耐磨性 中田分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 0 7 S O 一0 0 7 5 0 4 S t u d yO i lF e - b a s eA l l o yC o a t i n g sw i t hA m o r p h o u sa n d N a n o c r y s t a l l i n eb yA r cS p r a y i n g J I A N GJ i a n m i n 。F UB i n y o u ，H ED i n g y o n g ，L IX i a o - y a n C o l l e g eo fM a t e r h l sS c i e n c ee n dE n g i n e e r i n g ，B e i j i n sU n i v e r s i t yo f T e e k n o l o g y ．B e l j M s1 0 0 0 2 2 A b s t r a c t F e - b a s e da m o r p h o u s ／n a n o c r y s t a l l i n ec o a t i n g sO nm i l ds t e e ls u b s t r a t ew e r ed e p o s i t e db ya r cs p r a y i n g p r o c e s s ．T h em o r p h o l o g y ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ec o a t i n g sw e r es t u d i e db ym e a n so fo p t i c a I ， S E M 。T E Ma n dX R D ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a t i n g sh a v eh o m o g e n o u sl a m i n a t e dm i e r o a t r u c t u r e 。t h ec o m - p a c tl a y e rW e sc o m p o s e do fd e f o r m e db a n d e dp a r t i c l e s ，u n m e l t e dp a r t i c l e sa n dc o n t a i n e do n l yal i t t l em i c r o p o r e s a n do x i d e s ．T h ec o a t i n gh a sh i g hh a r d n e s sa n dw e x t rr e s i s t a n c e ，t h ea v e r a g em i c r o h a r d n e mi s13 9 3 ．5 2H v 0 | 1 ’ t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h eF e b a s e da m o r p h o u sc o a t i n g si s1 8 ．7t i m e s ⅡQ 2 3 5m i l ds t e e lu n d e rt h ee q u a le x p e r i - m e n t a t i o nc o n d i t i o n ． K e y w o r d s A r cs p r a y i n g ；A m o r p h o u s ／n a n o c r y s t a l l i n ec o a t i n g ；W e a rr e s i s t a n c e 非晶态合金俗称金属玻璃，因其成分均匀．不存 在晶体缺陷，如位错、晶界和成分偏析等。具有独特 而优异的性能．如高强度、高韧性、高硬度、极高抗腐 蚀性能、软磁特性、低电阻温度系数和高室温电阻率 等。是一类很有发展前途的新型金属材料。目前非 晶合金的主要形态有薄带、细丝、粉末等，厚度或直 径只有数十个微米．应用范围是很有限的【l - 2 J 。开 发熔体急冷制备新技术是当前非晶合金材辩研究领 域里的前沿性重要课题。采用现代先进热喷涂技术． 如等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷 基金项目北京市属市管高等学校人才强教计划赞助项目 作者简介揪 1 9 5 6 一 ．男，珏宁沈用人．教授 涂等制备表面非晶涂层就是对非晶合金制备技术的 新开拓【3 ．7J 。电弧喷涂与其他热喷涂技术相比具 有设备简单便宜．涂层性能优异，适宜现场原位大面 积施工等优点，利用电弧喷涂技术制备非晶涂层具 有广阔的工程应用前景。 本文采用电弧唼涂方法制备了F e 基非晶涂层， 并对涂层的组织形貌、显微硬度及耐磨粒磨损性能 进行了观察分析。 万方数据 7 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 1实验方法 1 ．1 试样制备 试验采用J Z Y 一2 5 0 型电弧喷涂设备制备了一种 耐磨损F e 基非晶涂层，喷涂材料为自行设计研制的 F e 基复合粉芯丝材，直径2m m 。基体材料为Q 2 3 5 钢，尺寸为5 7m m S 2 51 T i m 5m m 。喷涂前试样表 面用汽油或丙酮清洗，然后用棕刚玉喷砂粗化处理。 电弧喷涂的工艺参数电弧电压2 8 ～3 2V 、工作电 流1 6 0 2 0 0 A 、压缩空气压力0 ．5 ～0 ．6M P a 、喷涂 距离1 0 0 - - 2 0 0m m 。 1 ．2 涂层显微硬度和表面洛氏硬度的测量 采用H X D - 1 0 0 0 显微硬度仪测量试样显微硬 度，载荷为1 0 0g ，保荷时间为1 5S 。采用T H 3 2 0 全 洛氏硬度计测量试祥表面洛氏硬度。根据G B 8 6 4 0 8 8 规定，实验采用N 标尺 金刚石圆锥压头 ，总载 荷为4 4 1 ．3N H R 4 5 N 。 1 ．3 磨粒磨损试验 试验采用M L S - 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨损试 验机进行，为典型的三体磨粒磨损磨粒 石英砂 在 橡胶轮和试件表面流动从而引起磨损。磨料为 0 ．3 5l T i r ／l ～0 ．2 1m m 的石英砂、预磨10 0 0r ／m i n ， 精磨20 0 0r ／m i n 。基体表面经喷砂处理后，喷涂 1 ．0m m 厚的涂层。在做磨损实验之前，为提高实 验精度，试件有涂层的一面在磨床上磨光。材料的 耐磨性能用磨损的失重量来衡量。实验同时用 0 2 3 5 钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之 比作为该配方的相对耐磨性。 磨粒磨损实验后，垂直磨粒流动方向。在磨痕中 部切开取出约1 0m m 1 0m m 大小的小块，在扫描 电镜下观察磨粒磨损过程中留下的磨痕形貌，用x 射线衍射仪分析涂层的相结构，采用透射电镜分析 涂层中非晶相与晶体相的分布情况。 2 实验结果与分析 2 ．1 涂层显微组织与相结构分析 图1 为F e 基非晶涂层经腐蚀后横截面的金相 组织。可以看出，F e 基非晶涂层组织均匀，结构致 密．孔隙率低，无明显裂纹和粗大孔隙，具有比较典 型的层状结构形貌。涂层主要由白色基体相和灰色 硬质相组成。由图1 也可以看出涂层与基体的交界 为波浪形的不平整界面，涂层与基体主要以机械结 合为主。 图1 喷涂层横截面金相围 F i g ．1 C r o s s - s e c t i o nm o r p h o l o g yo fa r c s p r a y i n gc o a t i n g 图2 是F e 基非晶涂层的X R D 图谱，可以看出。 涂层在4 0 ～5 0 ‘ 存在宽化漫衍射峰，说明涂层中 存在一定量的非晶，涂层主要是由F e 、 F e ，N i 、F e - c r 基体相和F e z B 硬质相及少许F e 的氧化物组成。 2 0柚405 0∽7 0W l 9 0 2 拼 。 图2 喷涂层的X R D 图谱 F i g ．2 X R Dp a t t e r no fc o a t i n g 图3 所示为喷涂层T E M 形貌及其选区电子衍 射花样，衍射花样由较宽的晕及漫散射环组成，为非 晶态的典型衍射花样．图中箭头所指无衬度灰色区 域为非晶相，在非晶相与块状化合物交界处存在许 多细小的微晶，在非晶相内部也有微晶生成。所形 成的微晶非常细小，颗粒尺寸在2 0 - - 2 0 0n m 之问。 这种高度弥散的硬质相、细小的微晶与具有较高韧 性的非晶相复合组织，极大的提高了涂层的综合性 能。 2 ．2 涂层硬度与耐磨粒磨损性能 表1 是F e 基非晶涂层的显微硬度及耐磨粒磨 损性能测试结果。表中所示的显微硬度均为5 点以 上平均硬度，可以发现，F e 基非晶涂屡的平均显微 万方数据 有色金羼 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 7 7 围3 非晶涂层T E M 照片及其选区衍射花样 F i g ．3 T E M m o r p h o l o g ya n de l e c t r o n i c d i f f r a c t i o np a t t e r no fa m o r p h o u s 硬度值为13 9 3 ．5 2H v 0 ．1 ，而0 ．2 3 5 钢的显微硬度只 有1 1 3 ．0 5H v o ．1 a 涂层的显微硬度是由涂层的组 织结构所决定的．在电弧喷涂过程中，喷涂粒子被加 热至熔化或半熔化状态。经压缩空气加速后以很高 的速度撞击到基体上形成非晶涂层，这种涂层结合 紧密，结构致密。孔隙率小，决定了涂层应该具有很 高的硬度。 襄l 涂层显徽硬度及耐磨性试验结果 T a b l e1V i c k e r sm i c r o h a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c eo fc o a t i n g 由表1 可以发现F e 基非晶涂层具有良好的耐 磨性．在同等实验条件下其耐磨粒磨损性能是Q 2 3 5 钢的1 8 ．7 倍。这主要是因为F e 基非晶涂层中含有 大量F e 2 B 等硬质相，这些硬质相均匀分布在 F e 。N i 、F e ．C r 等塑性很好的金属基体中，对涂层起 到弥散强化的作用．同时这些均匀分布的硬质相还 起到了一个耐磨骨架的作用。 国4 a 和4 b 分剐是Q 2 3 5 钢和F e 基非晶涂层的 磨损形貌图，可以看出Q 2 3 5 钢磨损后表面有着明 显的深且宽的犁痕以及因为切削形成的片状铁屑 其磨损机理为典型的犁沟变形和塑性切削。F e 基 非晶涂层呈现出塑性切削和脆性剥落相结合的磨损 机理，涂层中的硬质相均匀的分布在塑性很好的 F e ，N i 、F e ．C r 基体相上使整个涂层得到了弥散强 化．在磨损过程中。由于基体相硬度较低首先被磨损 露出了硬质相，裸露出的硬质相很容易园与基体粘 结不牢而发生剥落，降低了涂层的耐磨性，同时，由 于这些硬质相均匀的分布在基体相中．与基体相结 合的很牢固故可以阻止石英砂的进一步磨损，使涂 层具有很好的耐磨性。另一方面由于非晶涂层中存 在少量氧化物。这些氧化物与基体结合相对疏松，本 身塑性很差，在高载荷三体磨损过程中，在氧化物与 基体界面处产生裂纹。反复挤压作用的结果使这些 裂纹扩大、连接。最终使这些氧化物剥落，造成 磨损。 围4 涂层磨损后形貌组织 F i g ．4M o r p h o l o g yo ft h ec o a t i n ga f t e ra b r a s i v ew e a r ．。，．。 孔隙率小，涂层呈典型的层状分布，形成了以机械结 。”“ 合为主结合方式； ’ 1 采用电弧喷涂工艺成功制备了一种含非晶 3 涂层具有良好的耐磨性和很高的硬度，同等 相的F e 基非晶涂层； 实验条件下非晶涂层的耐磨粒磨损性能为Q 2 3 5 钢 2 F e 基非晶合金涂层各个区域的组织均匀， 的1 8 ．7 倍，其显徽硬度达到1 3 9 3 ．5 2H ‰” 万方数据 7 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 参考文献 ’ [ 1 ] 卢博斯基FE ．非晶态金属舍金[ M ] ．柯成，唐于甚，罗 洋，等，译，北京冶金工业出版社，1 9 8 9 ． [ 2 ] 王一禾，杨膺善．非晶态台金[ M ] ．北京冶金工业出版 社。1 9 8 9 ． [ 3 ] S a m p a t hS ．M i c r 。s l r u e t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s 。fp l a s m as p r a y c o n s o l i d a t e da m o r p h o u sp o w d e r s [ M ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，1 9 9 3 ，A 1 6 7 1 1 0 ． [ 4 ] K i s h l t a k eK ．T h e r m a is p r a y e dF e - 1 0 C } 1 3 P 一7 Ca m o r p h o u s c m f i n g sp o s s e s s i n ge x c e l l e n tc D r r o s i o nr e s i a t a n c e [ J ] ．J o u r n a l o f T h e r m a lS p r a y i n g T e c h n o l o g y ．1 9 9 6 ，5 4 4 7 6 4 7 9 ． [ 5 ] 樊自拴，孙冬柏，俞宏英。等．等离子喷涂制备铁基非晶 一纳米复合涂层[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 5 ，2 7 5 5 8 2 5 8 5 ． [ 6 ] 樊直拴，孙冬柏，俞宏英．等．等离子厦涂铝基非晶一纳 米晶复合涂层的组织与性能[ J ] ．材料热处理学报， 2 0 0 5 。2 6 2 9 0 9 3 ． [ 7 ] W a n gAP ，W a n gZM ，Z h a n gJ ，e ta 1 ．D e p c x s i t i o no f H V A L 5 p r a y e dN i b a s e da m o r p h o u sm e t a l l i cc o a t i n g s [ J ] ． J o u r n a to f A l l o y sa n dC o m p o u n d s 。2 0 0 7 ，4 4 0 1 2 2 2 5 2 2 8 ． 上接第6 8 页 表2 热处理对涂层结合强度影响 T a b l e2E f f e c to fh e a tt r e a t m e n tO i l b o n ds t r e n g t ho fc o a t i n g／M P a 表2 显示的是涂层在喷涂态和热处理态的结合 强度。可以看出经热处理后涂层的结合强度显著增 大，涂层结合强度随热处理温度升高而增大。尽管 图3 显示经热处理后涂层与基体无明显扩散带，但 是热处理工艺仍对涂层与基体结合有影响，主要表 现在涂层与基体仍存在元素的扩散且随着温度的升 高这种元素同的扩散越明显，热处理温度升高保温 时间延长有利于愈合涂层与基体问的缺陷如孔洞。 正是上述原因，热处理工艺还是有利于改善涂层的 结合强度。 3 结论 热处理工艺对C u 基涂层的组织以及性能有显 著影响，随着热处理温度升高。热处理时间延长，涂 层组织粗化，析出相呈均匀分布，但是涂层与基体无 明显的扩散带；涂层硬度呈下降趋势；涂层与基体结 合强度则显著提高。 参考文献 [ 1 ] 易茂中，张先龙。胡奈赛．等．冲击刮削法评价封严涂层 的可磨耗性【J ] ．航空学报，1 9 9 9 ，2 0 3 2 4 9 ． [ 2 ] 张先龙．易茂中．典型中温封严涂层的抗冲蚀性能【J 】． 新工艺新技术新设备，1 9 9 8 ，5 2 8 ． 上接第7 4 页 3 结论 1 采用添加纳米s i q 、T i 0 2 粉末制备C r 2 0 3 5 s i o z 3 T i C h 复合粉末，通过喷雾干燥制粒、高温致 密化烧结后，粉末形貌、流动性和组织致密性得到提 高，改善了微米级复合粉末成分不均匀性； 2 等离子喷涂纳米添加c r 2 q 5 S i 0 2 3 T i C h 复合涂层显微组织均匀致密。无明显的层状组织。 涂层孔隙率为2 ．3 3 ％。显微硬度为12 4 3H v 03 ，比 M e t c o1 3 6 F 涂层高2 ．1 ％。 参考文献 [ 1 ] L i nF ，Y uYG ．Z c n gKL ．“a 1 ．M i e r o s t r u c t u r ea n dp r o p e n i e so fp l u m e - s p r a y e du l t r a f i n eC k 岛f e e d s t o c kp o w d e r a n dc o a t i n g [ A ] ／／．P r o c e e d i n go ft h e2 0 0 6i n t e r n a t i o n a l t h e r m a ls p r a yc o n f e r e n c e [ C ] ．M a y1 5 1 8 ．2 0 0 6 ．W a s h - i n g t o n ，U S A ， [ 2 ] B o l e U iG ．。C a n r a U oV ，L u s v a r g h iL ，e ta 1 ．W e a rB e h a v i o u r o fA P Sa n dH V O FS p r a y e dC e r a m i cC o a t i n g s 【A ] ／／ ．P r c c e e d i n go ft h e 2 0 0 6i n t e r n a t b n 8 tt h e r m * ls p r a yc o n f e r e n e e [ C ] ．M w1 5 1 8 ，2 0 0 6 ，W a s h i n g U r n ，U S A ． 万方数据