MA制備Al-ZrO2-Y2O3涂層的抗高溫氧化性能*

郭 燕

(宿遷學(xué)院,江蘇宿遷 223800)

MA制備Al-ZrO2-Y2O3涂層的抗高溫氧化性能*

郭 燕

(宿遷學(xué)院,江蘇宿遷 223800)

主要研究了用機械合金化(MA)法在室溫下于304不銹鋼表面制備的Al-ZrO2-Y2O3涂層在高溫條件下的抗高溫氧化性能。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和高溫氧化實驗技術(shù)分析通過不同高能球磨時間制得的復(fù)合涂層的顯微形貌、組織結(jié)構(gòu)及抗高溫氧化性能。

Al-ZrO2-Y2O3涂層;顯微形貌;高溫氧化;高能球磨

0 引 言

隨著高新技術(shù)的發(fā)展,金屬材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)著舉足輕重的作用。比重日趨增大、綜合性能不斷提升[1]。技術(shù)改進的同時,機械零件面臨工作環(huán)境日趨惡劣化的局面,機械零件的失效通常從表面開始,因此金屬材料表層直接影響零部件的綜合性能。于不銹鋼表面制備金屬涂層可以改善不銹鋼的耐磨損及耐高溫氧化性能[2],陶瓷涂層具備耐高溫氧化和耐腐蝕性能[3],目前噴涂金屬涂層或陶瓷技術(shù)已經(jīng)相對成熟,但是靠機械力涂覆金屬-陶瓷涂層于金屬基體表面還鮮有研究[4],筆者采用機械合金化于不銹鋼基體表面制備Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層并研究其抗高溫氧化性能具有一定意義。

1 實驗方法

實驗設(shè)定304不銹鋼基體試樣尺寸為29 mm×19 mm×6 mm,用砂紙打磨后在丙酮中超聲清洗最后嵌入如圖1所示凹槽中,將稱量后的23.5 g涂覆混合粉末(Al-64.4ZrO2-5.6Y2O3)放入如圖1所示的特制球磨罐中。球磨介質(zhì)為淬火鋼球,球料比為10∶1。球磨轉(zhuǎn)速為400 r/min,球磨時間分別為3 h、5 h、8 h、14 h,球磨方式采用球磨20 min空冷10 min。球磨結(jié)束后制備金相分析試樣。涂層表面形貌應(yīng)用SEM獲得,高溫氧化測試采用靜態(tài)增重法,將試樣與坩堝一起放入恒溫箱式電阻爐中加熱至1 000℃,保溫10 h,隨爐冷卻,冷卻至室溫記錄氧化增重數(shù)值,如此反復(fù)操作10次,計算并繪制氧化速度-時間曲線。

圖1 機械合金化制備涂層示意圖

2 實驗結(jié)果

2.1 表面形貌分析

圖2為球磨3 h和8 h后,304不銹鋼基體表面Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層微觀形貌圖,球磨時間越長,表面顆粒越細(xì),涂層越致密。這是因為隨著球磨時間的延長,能量輸入增加,起初基體發(fā)生連續(xù)塑性變形,粉末沉積在基體表面,隨著能量輸入的繼續(xù)增大,粉末顆粒與磨球間的作用力使顆粒更加細(xì)化,由于Al良好的延展性促使ZrO2和Y2O3向基體靠近,原始涂層發(fā)生塑性變形,涂層變致密,同時隨著內(nèi)部溫度的升高將有一部分Al2O3生成,它與ZrO2在Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層中作為增強相提高涂層的整體硬度[5]。

圖2 Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層表面形貌

2.2 抗高溫氧化性能

圖3為基體與經(jīng)過球磨后試樣的宏觀圖,從左往右依次為基體、球磨3 h、5 h、8 h后的試樣。圖4為經(jīng)過1 000℃氧化100 h后試樣表面宏觀圖,從右到左為依次球磨3 h、8 h和5 h后的試樣?？梢钥闯銮蚰? h及球磨5 h后的試樣經(jīng)高溫氧化后涂層粘著力明顯減小,已有剝落,球磨8 h后的試樣經(jīng)高溫氧化后用肉眼觀察變化不明顯,初步證實涂層性能與球磨時間有關(guān)。

圖3 試樣表面宏觀圖

圖4 1 000℃氧化后涂層表面宏觀圖

2.3 分析與討論

將1 000℃下循環(huán)10次稱重后的結(jié)果根據(jù)式1計算氧化速度,并畫圖5。

式中:K+為單位面積單位時間質(zhì)量的變化;m+1為實驗后試樣和坩堝的質(zhì)量;m+0為實驗前試樣和坩堝的質(zhì)量;S0為試樣原表面積;t為時間。

圖5 1 000℃時氧化速度-時間曲線

基體以及球磨參數(shù)為400 r/min:3 h、和8 h的試樣經(jīng)氧化100 h后的氧化速度分別為16.768 2 g/ m2h,15.998 2 g/m2h,14.3989 g/m2h。圖5可以看出基體試樣氧化增重最為明顯,當(dāng)球磨參數(shù)設(shè)置為400 r/min,球磨8 h氧化增重最小,初步判定抗高溫氧化性能最好。

圖6為基體以及球磨轉(zhuǎn)速為400 r/min,球磨8 h后制備的試樣經(jīng)1 000℃高溫氧化后涂層表面的SEM圖片。實驗發(fā)現(xiàn)基體表面沿晶界方向出現(xiàn)連續(xù)裂紋,并有擴展跡象,說明基體已經(jīng)失效,如圖6(a)。研究發(fā)現(xiàn)室溫條件下不銹鋼表面氧化物主要為Fe3O4和Fe2O3,當(dāng)T＞570℃時,將有FeO生成[6]。自高溫冷卻至室溫的過程中FeO分解,氧化層發(fā)生相變。因此提高不銹鋼抗高溫氧化性能的主要途徑為加入合金元素,通過加入合金元素減少氧化層中離子的擴散,利于形成致密、穩(wěn)定的氧化膜[7]。本實驗選用熱障涂層ZrO2-Y2O3體系中加入合金元素Al,陶瓷ZrO2與Y2O3搭配可以起到隔熱降低部件表面溫度的作用,Al塑形較好一方面可以增加涂層延性,另一方面在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化反應(yīng)其產(chǎn)物作為屏障在一定程度上延緩氧化過程的進行[8],Al的存在有利于ZrO2膜保持一定的塑形,減少高溫開裂甚至剝落。

圖6 1 000℃氧化100 h后試樣表面SEM

圖6從(b)到(a)的變化可以看出,球磨8 h后涂層氧化膜相對致密,與基體結(jié)合良好,同時有利于阻止有害元素的侵入,因此經(jīng)過高能球磨可以提高基體的抗高溫氧化性能。

3 結(jié) 論

(1)通過機械力的輸入可以在304不銹鋼基體上成功制備硬質(zhì)涂層。

(2)在球磨轉(zhuǎn)速為400 r/min的條件下,球磨8 h比球磨3 h制備的涂層致密,ZrO2與生成的Al2O3作為強化相提高涂層的整體硬度。

(3)經(jīng)過機械合金化制備的Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層使基體的抗高溫氧化性能得到明顯提高。

[1] 盧錦堂.熱浸鍍技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 陸洪彬.不銹鋼表面高性能納米防護涂層[D].南京:南京大學(xué),2011.

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High-Temperature Oxidation Resistance of Al-ZrO2-Y2O3Coating Prepared by Mechanical Alloying Technique

GUO Yan
(Suqian College,Suqian Jiangsu 223800,China)

The high-temperature oxidation resistance of Al-ZrO2-Y2O3coating obtained successfully on the surface of SUS304 at room temperature by MA technique is mainly discussed in this paper.Scanning electron microscopy(SEM)and the high-temperature oxidation experiment are used to investigate the microscopic morphology,structure and the high-temperature oxidation resistance of coatings which were made by different high-energy ball milling times.

Al-ZrO2-Y2O3coating;microscopic morphology;high-temperature oxidation;high energy ball milling

TG174.445

A

1007-4414(2015)05-0079-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.026

2015-08-06

郭 燕(1986-),女,江蘇宿遷人,碩士,主要從事材料加工方面的教學(xué)與研究工作。