APS制備Fe基非晶合金涂層工藝參數的統(tǒng)計分析

葉福興，崔 崇，魏海宏，宋桂榮，李 楊

(天津大學材料科學與工程學院天津市現代連接技術重點實驗室，天津 300072)

目前國內對非晶涂層的研究還處于積累大量實驗數據、探索非晶涂層的制備及其性能階段，開發(fā)和研究的熱噴涂用合金粉末主要有Fe基合金、Ni基合金、Cu基合金和Mo基合金[1-4]．而Fe基非晶合金涂層是目前研究最為廣泛的非晶涂層，主要是因為其廉價的特性以及優(yōu)良的耐腐蝕性能和鐵磁性能．通過合理選取合金元素配比，控制熱噴涂工藝參數能在較大范圍內獲得不同性能的Fe基非晶涂層[5-9]．根據前人的研究成果，等離子噴涂工藝對最終獲得的涂層性能有較為復雜的影響規(guī)律，最終獲得的涂層孔隙率與顯微硬度指標與熱噴涂工藝參數之間具體的聯系機制并未明確揭示．本研究的目的在于設計實驗，改變等離子噴涂工藝參數，制備具有不同性能的 Fe基非晶合金涂層，測定涂層孔隙率及顯微硬度，并對結果數據進行單因子方差統(tǒng)計分析，明確指出等離子噴涂工藝對于Fe基非晶態(tài)涂層孔隙率和顯微硬度產生影響的機制和影響程度，并從理論上進行闡明探討．

1 噴涂材料和涂層制備

實驗中采用的Fe基粉末的標稱化學成分如表1所示，該粉末微觀形貌為近似橢球狀(見圖 1)，具有較好的流動性．所含主要合金元素之間的混合熱和原子半徑差如表2所示，大的原子半徑差和負的混合熱有利于提高該合金系的非晶形成能力[6]，結合等離子噴涂過程中扁平粒子的快冷特點，預期能獲得具有較高非晶組成相的合金涂層．

表1 Fe基合金粉末的標稱化學成分Tab.1 Chemical compositions of Fe-based alloy powder

圖1 Fe基合金粉末表面微觀形貌Fig.1 Surface morphology of Fe-based alloy powder

表2 主要合金元素間的混合熱和原子半徑差Tab.2 Mixing heat and atom radius differential of main alloy elements

實驗中采用的等離子噴涂設備為 APS-2000型80,kW 級高能等離子噴涂系統(tǒng)．在噴涂之前，基體除油清理后采用粒度為840～1,100,μm的Al2O3砂粒進行噴砂粗化處理以獲得活化和清潔的表面從而提高涂層與基體的接合強度．等離子噴涂過程中用壓縮空氣對基體表面進行連續(xù)冷卻．

2 噴涂工藝參數和分析測試方法

采用的等離子噴涂工藝參數如表3所示，選擇噴涂電流、噴涂電壓和噴涂距離為影響因素，每個因素選取 5個水平，采取固定兩個因素，改變另一個因素的實驗方案制備涂層試樣．

每個試樣均測定涂層斷面顯微組織及孔隙率、顯微硬度．選擇性能優(yōu)良的涂層做 XRD物相分析．通過 OLYMPUS GX51大型臥式金相顯微鏡觀察涂層斷面組織，利用 Photoshop軟件計算涂層孔隙率；通過 MHV2000型數字顯微硬度儀測定涂層的顯微硬度，每個試樣在靠近涂層斷面的中部順次打 10個點進行測試，去掉所測得顯微硬度的最大值和最小值進行記錄．采用PhilipsX 'PertM PD型X射線衍射儀測定涂層物相組成．

表3 Fe基非晶合金涂層的等離子噴涂工藝參數Tab.3 APS parameters of Fe-based amorphous alloy coatings

3 實驗結果與討論

3.1 涂層微觀組織和性能

圖2為等離子噴涂制備Fe基非晶合金涂層斷面微觀組織圖．圖 2(b)和(d)由于噴涂功率太低，粉末粒子融化效果很差，在高倍放大圖中能看到近圓形的未能扁平化變形的粉末粒子，從而導致粒子之間搭接松散，涂層孔隙率增大．圖 2(a)和(c)由于粉末粒子充分扁平化，粒子之間搭接嚴密，使得層間隙及聚集型孔洞減少．大孔隙率導致涂層的表面質量下降，在實際應用時增加表面處理的工序．圖 2中所示涂層在 4%硝酸酒精腐蝕 30,s的條件下也未能顯示出晶界，這也從側面反映了涂層為非晶態(tài)結構．

根據表3的工藝參數進行實驗，并測定涂層的孔隙率和顯微硬度，列于表 4．將所得結果繪制成圖 3所示的涂層性能與等離子噴涂工藝參數的關系，可見涂層孔隙率隨噴涂電流、噴涂電壓、噴涂距離參數的增加，均有先降低后升高的趨勢，這是因為噴涂電流與電壓均影響粒子的熔化程度和飛行速度，當粒子的飛行速度較高、熔化程度較好時，可以得到孔隙率很低的涂層，飛行速度過高或過低，將使粒子產生飛濺并卷入過多氣體或在焰流中停留時間過長而過度熔化而使孔隙率升高．由圖 4可以看出涂層的顯微硬度隨孔隙率的增加呈現下降趨勢．這是由于孔隙率較高時，涂層不致密，測定顯微硬度時金剛石壓頭打在孔隙處的概率很高，測得的顯微硬度較低．同時，涂層的顯微硬度與涂層的非晶態(tài)結構中原子無序堆垛的緊密程度和內應力分布都有關系，這也是引起涂層顯微硬度波動的原因．

值得注意的是，涂層孔隙率低、顯微硬度高的參數均出現在噴涂功率為 30.25,kW 處，功率過低則粉末粒子熔化不夠，搭接松散導致性能降低，功率過高則顆粒細小的粉末粒子燒損揮發(fā)，較大顆粒由于熔化不完全仍然使得涂層性能降低．

圖2 等離子噴涂制備Fe基非晶合金涂層斷面微觀組織Fig.2 Cross-section micro-structure of Fe-based amorphous alloy coatings prepared by APS under different parameters

選擇噴涂工藝為550,A、55,V、噴涂距離110,mm的試樣做XRD物相分析，所得結果與粉末XRD圖譜進行對比(圖 5)．可見粉末物相組成基本為非晶態(tài)，而涂層保留了這一物相組成，具有較高的非晶形態(tài)．

表4 等離子噴涂制備的Fe基非晶合金涂層孔隙率和顯微硬度Tab.4 Porosity and microhardness of Fe-based amorphous alloy coatings prepared by APS

3.2 各工藝參數的單因子方差分析

單因子方差分析方法用于完全隨機設計的多個樣本均數間的比較，其統(tǒng)計推斷是推斷各樣本所代表的各總體均數是否相等，從而檢驗選擇的影響因子是否對響應變量產生顯著的影響[7]．本實驗以噴涂電流、噴涂電壓、噴涂距離為影響因子，分別以涂層孔隙率和顯微硬度為響應變量．統(tǒng)計量 F＝(SA/(p-1))/(SE/（n-p)），其中 p表示每個因子所取的水平數(p＝5)，n表示響應變量測定值的總數(n＝40)，SA為因子A的組間平方和，p-1為其自由度，SE為因子A的組內平方和，自由度為n-p．該統(tǒng)計量服從 F分布，以 F1-α(p-1，n-p)表示顯著性水平為 1-α的 F 值，則可以根據檢驗公式 F＞F1-α(p-1，n-p)來判定該因子是否對響應變量產生顯著影響．

圖3 等離子噴涂工藝參數與Fe基非晶合金涂層孔隙率的關系Fig.3 Relationship between APS parameters and porosity of Fe-based amorphous alloy coatings

圖4 Fe基非晶合金涂層孔隙率與顯微硬度的關系Fig.4 Relationship between microhardness and porosity of Fe-based amorphous alloy coatings

圖5 Fe基非晶合金涂層與粉末的XRDFig.5 XRD patterns of Fe-based amorphous alloy powder and sprayed coatings

依次對噴涂電流、噴涂電壓、噴涂距離做單因子方差分析，求出數據的組間平方和和組內平方和之比F，比值F越大，說明因子(電流、電壓、噴涂距離等)對響應變量的影響越顯著．方差分析的結果匯總于圖6．選擇顯著性水平為α＝0.01進行檢驗，每次分析具有相同的α分位數，F1-α(p-1，n-p)＝F0.99(4，35)＝3.908．

從圖6可以看出，噴涂電流對孔隙率的統(tǒng)計量F值與3.908差異最大，因此噴涂電流是影響涂層孔隙率的主要因素．由于噴涂電流值的改變對等離子弧的電磁壓縮效應有較大影響，假定等離子弧為無數平行的電流組成，則根據平行同向電流之間產生吸引力的物理規(guī)律，噴涂電流增大將使得等離子弧電磁壓縮效應增大，弧柱變得細長，能有效影響粒子飛行速度和加熱效果．從而對涂層的顯微硬度和孔隙率產生顯著影響．另外，可以看出噴涂距離對顯微硬度有較大影響．這是由于在噴涂距離改變時，粒子撞擊基體時的溫度在較大范圍變化，而速度變化不明顯[8]，從而使得所得涂層的微觀結構和內應力發(fā)生較明顯改變，進而顯著地影響涂層的顯微硬度．

圖6 等離子噴涂工藝參數對涂層性能影響的F值Fig.6 F value on influence of parameters for plasmaspraying technique on properties of amorphous alloy coatings

4 結 論

(1)通過等離子噴涂技術制備的 Fe基非晶合金涂層結構致密、組織均勻，非晶含量很高．

(2)隨等離子噴涂功率的升高，涂層的孔隙率先逐漸減小，后逐漸增大，優(yōu)化的噴涂功率為30.25,kW，優(yōu)化的噴涂距離為 110,mm，在該工藝參數下，所制備的Fe基非晶合金涂層孔隙率為1.19%，顯微硬度為717,HV0.1．

(3)等離子噴涂電流、噴涂電壓、噴涂距離均對涂層孔隙率產生顯著影響，其中噴涂電流是最主要的影響因素，等離子噴涂電流對涂層顯微硬度不產生顯著影響，而噴涂距離能顯著地影響涂層的顯微硬度．

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