低溫高速火焰噴涂制備鈦涂層

陳建強，劉 敏，鄧春明，鄧暢光

（1．廣東工業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510081；2．廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650）

低溫高速火焰噴涂制備鈦涂層

陳建強1，2，劉 敏2，鄧春明2，鄧暢光2

（1．廣東工業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510081；2．廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650）

利用新研發(fā)的低溫高速火焰噴涂在A3鋼上制備鈦涂層，對涂層的顯微結(jié)構(gòu)和基本性能進行了表征．顯微結(jié)構(gòu)表明，近表面Ti涂層結(jié)構(gòu)疏松，而內(nèi)部較致密，并且觀察到明顯的氧化物界面；XRD分析表明涂層中含有一定鈦的氧化物．鈦涂層在A3鋼基體上的結(jié)合強度超過38 MPa，顯微硬度高于純鈦材，說明涂層中有氧化物存在．

Ti涂層；低溫高速火焰噴涂；性能；結(jié)合強度

鈦是五十年代興起的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，同其它結(jié)構(gòu)金屬相相比，它具有兩個顯著的優(yōu)點：比強度高和耐腐蝕性能好，這使鈦不僅能在極其惡劣大氣條件下使用，而且能耐強化學試劑的腐蝕．鈦還有其它的一些性能如韌性好、無磁性、熔點高、無毒及熱膨脹系數(shù)低等．

但由于鈦材的價格較貴，使其應用受到了限制．為此，國內(nèi)外在鈦涂層研究方面開展了許多工作，并取得了進展．

鈦十分活潑，用常規(guī)等離子噴涂無法得到高質(zhì)量的鈦涂層，因此在70年代發(fā)展了低壓等離子噴涂新工藝．該技術可得到致密度高、孔隙度小、結(jié)合強度好的鈦涂層，但該制備工藝復雜，且成本耗費大．王德政，周克崧等［1］研究了低壓等離子噴涂Ti－Ni合金涂層的工藝以及噴涂參數(shù)，如噴涂氣氛、氣氛壓力、主氣流量等對涂層質(zhì)量的影響．周克崧等［2］還研究了青銅上面制備Ti－Ni合金涂層的抗空泡腐蝕性．近年來開發(fā)的冷噴涂工藝是常用的制備鈦涂層工藝．但冷噴涂不僅對粉末顆粒的要求嚴格，為獲得較好涂層質(zhì)量，往往需要采用昂貴的氦氣．Hong－Ren Wang等［3］在1Crl3不銹鋼基體上制備了鈦金屬保護涂層，對鈦涂層的顯微結(jié)構(gòu)和腐蝕行為進行了研究，并以數(shù)值的方法模擬了鈦金屬粒子在冷噴涂的過程的加速，發(fā)現(xiàn)增大氣體的溫度和壓力能夠增加粒子的速度，并且較小的粒子越能得到較高的粒子速度．此外，宋丹［4］采用低壓電弧噴涂方法制備了Ti涂層，對其成分和組織進行了分析，并研究了噴涂工藝對涂層中雜質(zhì)含量及對噴涂粒子形態(tài)的影響．結(jié)果表明，在Ar氣保護條件下，防止涂層氧化和氮化仍然有一定的困難，需要采用低真空度保護才可能制備出致密的涂層．但這種方法由于噴涂溫度低，粒子飛行速度比較低，所獲得的涂層中孔隙率高，粒子之間的結(jié)合強度較低．

超音速火焰噴涂由于其噴涂過程中，噴涂顆粒是以超音速飛行而撞擊到基體表面上沉積形成涂層，能夠獲得比普通火焰噴涂或等離子噴涂結(jié)合強度更高的致密涂層［5－6］，廣泛的用于制備高性能的金屬、金屬陶瓷涂層，隨著該技術的發(fā)展，其發(fā)展方向朝著焰流低溫高速發(fā)展［7］．

本文采用新研發(fā)的低溫高速火焰噴涂系統(tǒng)，即通過向燃燒室注水來降低焰流的溫度和提高燃燒室的壓力，從而使粉末粒子獲得更高的速度和較低的溫度．利用該噴涂系統(tǒng)對鈦涂層進行嘗試，并對涂層的結(jié)構(gòu)和性能進行表征．

1 實驗方法及表征

本試驗采用普通的A3鋼為基體，尺寸為150mm×100mm×6mm，基體經(jīng)除油后采用24＃棕剛玉進行噴砂粗化處理，以待噴涂．試驗鈦粉末是由陜西鳳翔粉鈦廠制備的高純鈦粉，尺寸為38～48 μm．鈦粉末顆粒的制備工藝：氫化—破碎—脫氫，粉末呈尖銳的棱角．圖1為粉末的形貌圖．采用新近研發(fā)的低溫高速火焰噴涂系統(tǒng)，燃燒室出口直徑為5 mm，噴槍為100 K．噴槍固定在機器人上，噴槍移動速度為1000 mm／s．噴涂遍數(shù)為30遍．表1為噴涂工藝參數(shù)．

圖1 Ti粉末的SEM形貌圖

表1 鈦涂層的主要沉積工藝參數(shù)

采用帶EDS的JSM5910掃描電鏡以及PhilipsX'PertProx衍射儀對粉末、噴涂態(tài)涂層的組織和相組成進行表征．參照ASTM C633－79標準測試涂層的結(jié)合強度，取三個平行樣品，將噴涂的試樣切成尺寸為D25．4 mm的圓片，并將涂層表面的疏松區(qū)磨掉后，用E－7膠將之與對偶件粘結(jié)在一起，并用夾具夾緊，放入干燥爐中于100℃固化3 h，室溫下放置24 h．采用JDL－50KN型電子拉伸試驗機測量涂層與基體界面的結(jié)合強度．涂層的結(jié)合強度按下面的公式計算：

式（1）中，F(xiàn)為拉伸斷裂時的最大拉力，A為試樣的斷裂面面積．采用MH－5D型顯微鏡硬度計測試涂層的顯微硬度，其中加載為3N，保持載荷15 s．

2 實驗結(jié)果及分析

2．1 涂層的顯微組織

圖2為Ti涂層的掃描電鏡圖，圖2（a）為Ti涂層組織放大100倍的表面形貌圖，圖2（b，c，d）分別為Ti涂層組織放大100倍、500倍和800倍的剖面SEM圖．從圖2（a）可知，涂層的表面很粗糙，可以觀察到明顯的間隙，涂層表面呈“菜花狀”，表明在該粉末在噴涂過程中發(fā)生了局部熔融，但是沒有完全鋪展開．而從圖2（b，c，d）可以看出，涂層整體比較均勻，但是在近表面存在疏松結(jié)構(gòu)區(qū)，其粒子之間結(jié)合較差，還存在大量的裂紋，這與前面分析涂層表面粗糙度較高和表面存在較大間隙結(jié)論一致．而近表面疏松區(qū)下面的涂層卻很致密．同時，在涂層致密區(qū)均發(fā)現(xiàn)存在灰色界面，該界面為鈦的氧化物．可以發(fā)現(xiàn)沿灰色界面包圍的形狀與原始粉末粒子外形結(jié)構(gòu)相似，表明灰色界面區(qū)域是由鈦粉末粒子的外表面在焰流中被氧化后而沉積形成的．但涂層灰色界面較淡，表明涂層中的氧化物含量較低．

2．2 涂層的相結(jié)構(gòu)

圖3為Ti粉末顆粒與Ti涂層的X射線衍射譜．本研究采用的鈦粉為99%以上的高純鈦粉，因此粉末的XRD圖譜分析為單質(zhì)鈦．從圖3可以看出，鈦涂層的主要衍射特征峰與Ti粉末顆粒的基本上保持一致，表明涂層與粉末均具有相同的主晶相，但在涂層的XRD圖譜中還發(fā)現(xiàn)有Ti的氧化物的衍射峰，說明粉末在焰流中發(fā)生了部分氧化．

Ti粉末的衍射峰強度比所有Ti涂層的都高，說明Ti粉顆粒的晶化程度要高于低溫高速火焰噴涂制備的Ti涂層，這可能因為Ti粉末在噴涂過程中發(fā)生了強烈的塑性變形，使部分Ti粉末晶粒的晶格常數(shù)發(fā)生了變化．

圖2 Ti涂層的掃描電鏡圖

圖3 Ti粉末與涂層的XRD圖

2．3 涂層的結(jié)合強度

表2為鈦涂層在A3鋼上的結(jié)合強度值．由于鈦和氧具有良好的親和力，在高溫下容易形成鈦的氧化物，氧化物的存在容易導致涂層的結(jié)合強度低．本鈦涂層的結(jié)合強度達45 MPa，說明該涂層具有良好的內(nèi)聚力．

表2 Ti涂層的結(jié)合強度

2．4 涂層的顯微硬度

分別對所制備的鈦涂層和鈦塊材的顯微硬度HV0．3，15s進行了測試，結(jié)果列于表3．從表3可知，涂層的硬度達到201HV，遠高于鈦材，顯微硬度偏高與涂層中含有一定的氧化物以及涂層結(jié)構(gòu)致密有關．

表3 Ti涂層的顯微硬度

3 結(jié) 論

采用新近研發(fā)的低溫高速火焰噴涂制備的Ti涂層，其表面疏松，粗糙度非常高；近表面涂層結(jié)構(gòu)疏松，但涂層內(nèi)部很致密，而且在粒子邊界還發(fā)現(xiàn)存在灰色的氧化膜．涂層主要由單質(zhì)Ti相組成，同時還有Ti的氧化物存在．Ti涂層在A3鋼基體上的結(jié)合強度為45 MPa；顯微硬度為201HV，遠高于純鈦材，較高的顯微硬度和鈦涂層氧化、涂層內(nèi)部致密有關．

［1］王德政，周克崧，楊大君，等．低壓等離子噴涂Ti－Ni合金涂層工藝的研究［J］．廣東有色金屬學報，1991，1（1）：39－44．

［2］ZHOU K S，WANG D Z，LIU M，et al．A study of the cavition erosion behaviour of a Ti－Ni alloy coating［J］．Surface and Coatings Technology，1987，34：79－87．

［3］WANG H R，LI W Y，MA L，et al．Corrosion behavior of cold sprayed titanium protective coating on 1Cr13［B1］substrate in seawater［J］．Surface and Coating Technology，2007，201：5203－5206．

［4］宋丹，李德元，張廣偉，等．低壓電弧噴涂Ti涂層組織形態(tài)及其制備工藝［J］．特種鑄造及有色合金，2010，30（8）：758－761．

［5］DANIEL W P，GERALD L K．HVOF－spray technology poised for growth［J］．Advanced Materials＆Process，1991（4）：68－74．

［6］YILBAS B S，KHALID M，ABDUL－ALEEM B J．Corrosion behavior of HVOF coated sheets［J］．Journal of Thermal Spray Technology，2003，12（4）：572－57．

［7］解永杰，牛二武，曹曉明．超音速火焰噴涂技術的發(fā)展與特點［J］．天津冶金，2004（2）：32－35．

Ti coating was prepared by low temperature high velocity oxygen fuel

CHEN Jian－qiang1，2，LIU Min2，DENG Chun－ming2，DENG Chang－guang2
（1．College of Materials and Energy，Guangdong university of Technology，Guangzhou 510081，China；2．Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals，Guangzhou 510650，china）

The Ti coating was deposited on A3 steel by Low Temperature High Velocity Oxygen Fuel that was a newly process．The microstrcture and basic properties of Ti coating were characterized．The microstructure of Ti coating indicates that The Ti coatings were comprised by a loose subsurface area and a dense inner coating area．a(chǎn)nd still observed obviously oxide layer．The XRD analysis shows that there were some oxides in the coating．The bond strength of Ti coating on A3 steel is more than 38Mpa，and the microhardness is higher than pure titanium．It also illustrated that there were some oxides in Ti coating．

Ti coating；low temperature high velocity oxygen fuel；property；bond strength

TG174．44

A

1673－9981（2010）04－0538－04

2010－10－19

陳建強（1984—），男，湖南婁底人，碩士研究生．