等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能

姜 帆， 宮文彪， 孫楓喬

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

?

等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能

姜 帆， 宮文彪*， 孫楓喬

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

采用大氣等離子噴涂(APS)技術(shù)在50 V/700 A工藝參數(shù)下制備Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)等對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，涂層呈層片狀結(jié)構(gòu)，孔隙率為9.84%；涂層主要以亞穩(wěn)相γ-Al2O3為主并含有一定量Ni-Al化合物以及Ni單質(zhì)，涂層組織間的硬度存在差異。

大氣等離子噴涂(APS)； Ni5Al-Al2O3涂層； 組織結(jié)構(gòu)

0 引 言

等離子噴涂是利用等離子焰流來(lái)加熱熔化噴涂粉末使之形成涂層。噴涂粉末被送粉氣載入等離子焰流，加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，高速撞擊在經(jīng)過(guò)粗化處理的潔凈零件表面產(chǎn)生塑性變形，粘附在零件表面[1]。由于等離子噴涂具有的高沉積效率、高結(jié)合強(qiáng)度，以及焰流溫度高、工藝穩(wěn)定、涂層質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，使其在表面改性方面得到廣泛應(yīng)用[2]。目前，在眾多噴涂材料中氧化鋁陶瓷的應(yīng)用尤為突出，氧化鋁陶瓷具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度以及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)和功能材料已有較廣泛的研究。以氧化鋁為基體，摻雜不同粉末顆粒制備具有不同特性的復(fù)合材料也日益受到重視[3-7]。

文中以在Al2O3粉末中添加Ni5Al作為噴涂粉末，試驗(yàn)研究了在50 V/700 A條件下制得的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)原料與涂層制備

噴涂的基體材料采用Q235鋼，試板尺寸為15 mm×10 mm×6 mm，涂層材料采用北京廊橋表面技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的Al2O3和Ni5Al粉末，粒度范圍為-200~+325 目。采用不添加磨球的球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械混合的方法獲得Al2O3和Ni5Al混合粉末，其中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%。噴涂前對(duì)基體進(jìn)行除油、噴砂處理，具體噴涂參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層工藝參數(shù)

1.2 涂層性能表征

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察涂層截面和噴涂粉末形貌，用D-MaxIIA型X射線儀對(duì)涂層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析，掃描范圍為20°~100°，掃描步長(zhǎng)為0.05°。

1.3 涂層孔隙率測(cè)定

采用維恩金相分析系統(tǒng)來(lái)測(cè)定等離子噴涂涂層的孔隙率，試驗(yàn)選取5個(gè)涂層的截面測(cè)定孔隙率，取平均值作為涂層的孔隙率。

1.4 顯微硬度測(cè)試

采用FM700型顯微硬度計(jì)在研磨拋光的涂層截面和基體上進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，載荷為100 g，加載時(shí)間15 s。由于等離子噴涂涂層為交錯(cuò)疊加的層片狀結(jié)構(gòu)，成分和組織分布不均勻，并存在一定的孔隙，測(cè)量的硬度值存在一定的起伏[8]。為此，本試驗(yàn)在試樣的黑灰色組織(A)、白色組織(B)和基體上測(cè)量不同的5個(gè)點(diǎn)，分別取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉末特征

噴涂粉末SEM顯微組織如圖1所示。

(a) Al2O3 粉末

(b) Ni5Al粉末

(c) Ni5Al-Al2O3混合粉末

從圖1(a)中可以看出，Al2O3原始粉末顆粒棱菱角分明，粉末粒度比較均勻；圖1(b)中的Ni5Al粉末粒度相對(duì)較小,為大顆粒的長(zhǎng)橢圓狀。圖1(c)為采用機(jī)械混合方法制備的Ni5Al-Al2O3混合粉末，小顆粒的Al2O3被夾雜在大顆粒的Ni5Al顆粒中，可以看出密度相差較大的兩種粉末經(jīng)機(jī)械混合后分布的比較均勻。

2.2 涂層顯微結(jié)構(gòu)特征

50 V/700 A參數(shù)下制備的涂層如圖2所示。

(a) 涂層形貌

(b) 涂層放大形貌

圖2是在噴涂參數(shù)為50 V/700 A條件下獲得的涂層截面形貌，涂層厚度約為450 μm。熔化及軟化的噴涂粒子經(jīng)過(guò)等離子焰流的高溫和高速撞擊,在經(jīng)過(guò)凈化和粗化處理的凹凸不平的基材表面，熔化和變形的混合顆粒冷凝收縮后與基體表面的凹凸處機(jī)械咬合在一起，通過(guò)“拋錨效應(yīng)”結(jié)合在一起形成涂層[8]。圖2(b)是圖2(a)涂層的放大形貌，從圖中可以觀察到，涂層中未熔化的Al2O3陶瓷顆粒較少，可見(jiàn)在較高的噴涂電流條件下，經(jīng)過(guò)等離子焰流的粉末熔化得比較完全。處于熔化或半熔化狀態(tài)下的粉末顆粒高速撞擊到基體后出現(xiàn)扁平化效應(yīng)，在后續(xù)顆粒的擠壓作用和快速冷卻的條件下以扁平狀堆積形成層片狀結(jié)構(gòu)[9-10]。

2.3 涂層孔隙率

孔隙率是指試樣中孔隙體積所占涂層的比率，它主要用來(lái)評(píng)定涂層的致密性，是衡量涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。文中采用維恩金相分析系統(tǒng)測(cè)得在50 V/700 A條件下所獲得涂層的平均孔隙率為9.84%。

涂層中的孔隙主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一是涂層由熔化變形的粉末顆粒逐層堆疊形成，變形的粉末顆粒在堆疊的過(guò)程中不能夠完全重疊，特別是溫度和速度較低的粉末顆粒變形不充分，更容易產(chǎn)生堆疊不致密，從而形成孔隙；另外一個(gè)原因是熔融狀態(tài)的粉末顆粒內(nèi)部溶解有一定量的氣體，在涂層的形成過(guò)程中，粉末顆粒由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，隨著溫度不斷的下降，氣體在粉末顆粒內(nèi)的溶解度降低，氣體不斷地從液相中析出。而變形粉末顆粒的固化又是一個(gè)快速凝固的過(guò)程，當(dāng)析出的氣體來(lái)不及從粉末顆粒內(nèi)部逸出的時(shí)候，便保留在變形粉末顆粒內(nèi)而形成孔隙。

2.4 涂層顯微硬度

涂層顯微硬度如圖3所示。

圖3 涂層顯微硬度

圖中黑灰色的組織標(biāo)記為A，白色的組織標(biāo)記為B，分別在A、B兩種組織和基體上測(cè)試顯微硬度，各測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，并計(jì)算出不同組織的硬度平均值。經(jīng)計(jì)算黑灰色的組織(A)平均硬度為858 HV，白色組織(B)的平均硬度為348 HV，基體平均硬度為231 HV。A和B兩種組織出現(xiàn)硬度差異應(yīng)該和涂層的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。在本試驗(yàn)參數(shù)條件下，涂層中白色組織(B)的硬度均遠(yuǎn)高于黑灰色組織(A)的硬度。

結(jié)合XRD分析如圖4所示。

圖4 涂層X(jué)RD分析結(jié)果

涂層中包括Al2O3(主要以亞穩(wěn)定相γ-Al2O3存在)[11]，Ni5Al3以及Ni的單質(zhì)。因此，硬度高的白色組織(B)應(yīng)為γ-Al2O3陶瓷，黑灰色的組織(A)應(yīng)為Ni和Ni-Al的化合物。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)利用等離子噴涂技術(shù)制得的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層組織較為致密，涂層呈現(xiàn)出明顯的層片狀結(jié)構(gòu)，涂層與基體為機(jī)械結(jié)合；

2)復(fù)合涂層的組織為亞穩(wěn)的γ-Al2O3、部分分解產(chǎn)生的Ni的單質(zhì)和Ni-Al化合物；

3)復(fù)合涂層的孔隙率為9.84%，涂層中不同的組織間硬度存在較大的差異，與組織的組成和孔隙有關(guān)。

[1] 李行志,胡樹(shù)兵.等離子噴涂的發(fā)展及其應(yīng)用[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,18(2):35-38.

[2] 李于朋,劉鑫,宮文彪,等.鎂合金表面等離子噴涂Al涂層的耐腐蝕性能[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(5):511-517.

[3] Fan Zhuangjun, Luo Guohua, Zhang Zengfu, et al. Electromagnetic and microwave absorbing properties of multi-walled carbon nanotubes/polymer composites[J]. Master. Sci. Eng. B,2006,132(1/2):85-89.

[4] Hussain S, Barbariol I, Roitti S, et al. Electrical conductivity of an insulator matrix (alumina) and conductor particle (molybdenum) composites[J]. J. Eur. Ceram. Soc.,2003,23(2):315-321.

[5] Lu Jinshan, Gao Lian, Sun Jing, et al. Effect of nickel content on the sintering behavior, mechanical and dielectric properties of Al2O3/Ni composites from coated powders[J]. Mater. Sci. Eng. A,2000,293(1/2):223-228.

[6] 鄧春明,周克崧,劉敏,等.低壓等離子噴涂氧化鋁涂層的特性[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2009,24(1):117-121.

[7] 易海蘭,蔣志君,毛小建,等.透明氧化鋁陶瓷的研究新進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2010,25(8):795-800.

[8] 陳燕,蘆笙,陳靜,等.AZ91D鎂合金等離子噴涂Ni-Al/陶瓷涂層的組織和性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2012,4(22):1094-1101.

[9] Parco M, Zhao L D, Zwick J, et al. Investigation of particle flattening behaviour and bonding mechanisms of APS sprayed coatings on magnesium alloys[J]. Surface & Coatings Technology,2007,201(14):6290-6296.

[10] Lin Xinhua, Zeng Yi, Lee S W, et al. Characterization of alumina-3wt.% titania coating prepared by plasma spraying of nanostructured powders[J]. Journal of the European Ceramic Society,2004,24(4):627-634.

[11] 吳華,宮文彪.氧化鋁陶瓷涂層的組織與相結(jié)構(gòu)分析[J].熱處理技術(shù)與裝備,2009,30(6):29-31.

Study on microstructure and properties of
Ni5Al-Al2O3coating by plasma spraying

JIANG Fan, GONG Wenbiao*, SUN Fengqiao

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The Ni5Al-Al2O3composite coatings were deposited by air plasma spraying (APS) technology with the parameter of 50 V/700 A. The microstructure and properties of the composite coatings were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The results show that the composite coatings and the substrate is mechanical combination, and the porosity is 9.84%. With the parameter of 50 V/700 A, the composite coatings show clearly lamellar structure. The composite coatings mainly contain metastable phase γ-Al2O3and a certain amount of Ni-Al compound and Ni elemental. There is a difference between the hardness of the composite coatings microstructure.

air plasma spraying (APS); Ni5Al-Al2O3composite coating; microstructures.

2015-09-30

吉林省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20100454)

姜 帆(1987-)，男，漢族，吉林吉林人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)師,長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事等離子噴涂工藝研究,E-mail:jiangfan@ccut.edu.cn. *通訊作者：宮文彪(1966-)，男，漢族，吉林梅河口人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事材料連接和熱噴涂方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.6.04

TG 174.453

A

1674-1374(2015)06-0613-04