超音速等離子高鋁青銅磷光粒子復(fù)合發(fā)光涂層的性能研究*

呂　葉，李文生，何　玲，楊效田，杜連超，王福全

(蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

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超音速等離子高鋁青銅磷光粒子復(fù)合發(fā)光涂層的性能研究*

呂葉，李文生，何玲，楊效田，杜連超，王福全

(蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

摘要：采用超音速等離子噴涂技術(shù)在45#鋼基體表面制備了Cu-14Al-X與SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+復(fù)合發(fā)光涂層，研究了不同噴涂工藝參數(shù)(H2氣流量)對(duì)制備涂層性能的影響。利用XRD、SEM、EDS及熒光/磷光發(fā)光光度計(jì)研究分析了噴涂層物相組織、形貌結(jié)構(gòu)及其發(fā)光性能。結(jié)果表明，涂層均由Al0.5Fe0.5、AlFe3、Cu9Al4 、SrAl2O4相及少量SrAl4O7和SrFe2O4構(gòu)成。隨著 H2氣流量從1 L/min 到16 L/min增加，噴涂材料沉積率增大，磷光粒子沉積率增加明顯，同時(shí)，涂層的發(fā)光強(qiáng)度隨H2氣流量增加而增強(qiáng)，涂層結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度及致密性也隨H2氣流量增加而顯著提高。

關(guān)鍵詞：超音速等離子噴涂；高鋁青銅；力學(xué)性能；發(fā)光性能

1引言

新型高鋁銅合金 (Cu-14Al-X) 因其優(yōu)異的力學(xué)性能及耐磨性能，被廣泛應(yīng)用于耐磨及高應(yīng)力模具制造[1-3]。但由于高鋁青銅合金材料制作模具時(shí)加工困難、費(fèi)用高，且塊體模具易出現(xiàn)整體壓潰及開(kāi)裂現(xiàn)象[4-5]，從而限制該材料的進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用。超音速等離子噴涂表面工程技術(shù)是有效解決以上弊端以及修復(fù)模具工件等的有效方法[6-9]。

長(zhǎng)余輝發(fā)光材料鋁酸鍶(SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+)作為蓄光型發(fā)光材料已被廣泛應(yīng)用于涂層材料領(lǐng)域，如建筑裝飾、警示標(biāo)志、人造景觀等[10-11]。高珊珊等[12]將SrAl2O4∶ Eu2+,Dy3+作為發(fā)光材料加入到發(fā)光涂料中研究了SrAl2O4∶ Eu2+,Dy3+提高涂料耐磨性的原因。但目前對(duì)該發(fā)光材料并入到耐磨蝕涂層應(yīng)用在熱噴涂領(lǐng)域的研究還較少。如將鋁酸鍶材料優(yōu)異的發(fā)光性有效應(yīng)用在耐磨蝕涂層中，在涂層局部磨損時(shí)，施以紫外光源照射，如有局部部位的熒光發(fā)光弱于其它部位則表明該部位發(fā)生磨損，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)涂層磨損狀態(tài)的目的，亦可以擴(kuò)展鋁酸鍶材料的應(yīng)用空間和價(jià)值。

然而鋁酸鍶材料的耐熱溫度一般只有600 ℃[13]，在高溫條件下會(huì)發(fā)生熱降解或蠕變效應(yīng)。通常超音速等離子噴涂的噴涂溫度高達(dá)3 000 ℃，因此，采用超音速等離子噴涂制備含鋁酸鍶材料涂層難度較大，控制超音速等離子噴涂溫度對(duì)該涂層制備至關(guān)重要。超音速等離子噴涂工藝中主氣Ar氣流量的改變將影響等離子弧長(zhǎng)度從而顯著影響噴涂材料的溫度；等離子噴槍的弧電壓隨H2氣流量而線性改變，調(diào)節(jié)H2氣流量可在電流不變的情況下以較小程度改變等離子焰的溫度，從而影響粒子在等離子弧中的熔融情況，氫氣的加入還可防止熔融粒子氧化。與此同時(shí)，等離子氣體流量的改變將影響噴涂射流速度，從而提高粒子飛行速度。本文采用最低起弧電流以及低Ar氣流量，調(diào)節(jié)H2氣流量以降低噴涂過(guò)程中溫度對(duì)SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的熱影響。主要研究噴涂參數(shù)對(duì)制備高鋁青銅磷光粒子復(fù)合發(fā)光涂層性能的影響，探尋合適的噴涂工藝，以期為將SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+并入高鋁青銅(Cu-14Al-X)耐磨涂層提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料及涂層制備

噴涂粉末為自制高鋁青銅合金(Cu-14Al-X)粉末和商用SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粉末，粒度范圍為40～75 μm(200～300目)(如圖1示)。將高鋁青銅合金粉末與SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粉末按體積比7∶3混合[14]，在保證一定發(fā)光強(qiáng)度前提下減少SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粉末的團(tuán)聚。基體材料選用45#鋼，對(duì)表面經(jīng)噴砂處理，增加表面粗糙度以增加涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。采用DH-2080超音速等離子噴涂設(shè)備，在粗化后基體表面按表1所示的噴涂工藝參數(shù)沉積3種涂層。分別以S1、S2、S3標(biāo)識(shí)。

2.2樣品的性能及表征

利用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂層表面及界面結(jié)合進(jìn)行形貌觀察，電子能譜儀(EDS)對(duì)試樣的表面及界面進(jìn)行微區(qū)成分分析，采用 D/MAX2500PC 型 X 射線衍射儀結(jié)合MDI Jade 6.0 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單定量物相分析。利用HV-1000型數(shù)字顯微硬度儀測(cè)試涂層的顯微硬度。

圖1　高鋁青銅粉末形貌和SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末形貌

試樣編號(hào)Ar氣流量/L·min-1H2氣流量/L·min-1電壓/V電流/A功率/kW噴涂距離/mm送粉率/g·min-1S16018620017.2100100S2601013720027.4100100S3601615020030100100

采用正置明暗場(chǎng)檢測(cè)顯微鏡 CFC-900E觀察涂層磷光粒子微觀組織，使用LS-55熒光/磷光發(fā)光光度計(jì)測(cè)其發(fā)射光譜曲線，采用定量金相分析法[15]測(cè)定SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粉末的沉積率(用Image Pro Plus 6.0軟件測(cè)量涂層金相組織照片中不同顏色物相面積與視場(chǎng)總面積的比值，即相體積分?jǐn)?shù)φ，每組取50個(gè)視場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析)。

3結(jié)果與討論

3.1涂層物相組織

圖2為3種涂層的XRD衍射圖譜，從圖2可看到，3種工藝(不同H2氣流量)制備的高鋁青銅磷光復(fù)合涂層物相中，除了主相Al0.5Fe0.5、AlFe3、Cu9Al4、SrAl2O4外，均出現(xiàn)了少量的SrAl4O7相及SrFe2O4相，說(shuō)明SrAl2O4粉末在焰流中被加熱以及隨后的冷卻過(guò)程中，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)和相變。3種涂層的物相組成相同說(shuō)明H2氣流量對(duì)涂層的組織構(gòu)成沒(méi)有影響。

圖2　3種高鋁青銅磷光粒子復(fù)合涂層X(jué)RD圖譜

圖3為涂層中SrAl2O4相及其對(duì)應(yīng)的能譜EDS成分分析圖，點(diǎn)1處為富鋁相，點(diǎn)2處為富鍶相。因?yàn)樵趪娡扛邷丨h(huán)境下Cu-14Al-X中的Fe3+進(jìn)入SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的晶格中取代Al3+形成SrFe2O4，高溫條件下SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定[13]導(dǎo)致鋁酸鍶由富鍶相轉(zhuǎn)變?yōu)楦讳X相。

圖3　涂層表面SrAl2O4相的能譜分析

Fig 3 Energy dispersion spectrum of SrAl2O4on surface

3.2涂層力學(xué)性能

圖4為3種H2氣流量制得涂層橫截面形貌，圖4(d)-(f)分別為圖4(a)-(c)的局部放大形貌。從圖中可以觀察到3種涂層均呈層狀結(jié)構(gòu)，深灰色相SrAl2O4顆粒分布于層間。H2氣流量為1 L/min時(shí)所得涂層中存在大量孔洞，SrAl2O4相極少量分布，如圖4(a)所示，圖中孔洞形成的原因是由于SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+硬質(zhì)相粒子與高鋁青銅粉末結(jié)合不致密而在涂層拋光過(guò)程中有脫落現(xiàn)象所致，如圖4(a)白框內(nèi)所示有SrAl2O4粒子趨于掉落的痕跡。H2氣流量為10 L/min時(shí)所得涂層橫截面形貌呈現(xiàn)較好的致密度，SrAl2O4沉積量增多(圖4(b))。當(dāng)H2氣流量增大到16 L/min時(shí)涂層的橫截面形貌呈現(xiàn)出更為明顯的SrAl2O4與Cu-14Al-X層狀平鋪疊加形成致密度較高涂層的趨勢(shì)，SrAl2O4顆粒顯著增多(圖4(c))。

圖43種高鋁青銅磷光粒子復(fù)合涂層表面形貌

Fig 4 Morphologies of three coatings

同時(shí)分析界面結(jié)合處可看出，3種涂層與基體的結(jié)合方式以機(jī)械結(jié)合為主，涂層與基體間存在結(jié)構(gòu)咬合現(xiàn)象。圖4(a)界面結(jié)合處發(fā)現(xiàn)極少量富鋁氧化物(M·AlmOn)的夾雜，可認(rèn)為是噴涂過(guò)程暴露于非真空條件，初始高速氣流進(jìn)入大氣環(huán)境后卷入空氣而致使涂層僅在界面結(jié)合處發(fā)生少量的氧化、相變等現(xiàn)象[16-17]。由圖4(d)-(f)觀察到3種H2氣流量噴涂所得涂層與基體間的縫隙逐漸減小。由動(dòng)量定理可知，粒子速度越高，動(dòng)量越大，顆粒沖擊基體的能量越大，粒子變形充分有利于涂層中的顆粒間層層堆疊。由于H2氣流量增大，后續(xù)粒子以更高的速度不斷撞擊已沉積涂層，對(duì)已沉積涂層起到一定的“釘鉚效應(yīng)”[18]使得涂層與基體間的結(jié)合更為緊密，縫隙逐漸減小，涂層結(jié)合強(qiáng)度也明顯增大。

圖5為3種涂層的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度，由圖可知，涂層的結(jié)合強(qiáng)度與顯微硬度均隨H2氣流量增加呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。涂層結(jié)合強(qiáng)度包括涂層與基材表面的結(jié)合以及涂層內(nèi)聚的結(jié)合。由于H2氣流量的增大提高了等離子焰流溫度，16 L/min時(shí)粒子熔融軟化的程度大于1 L/min時(shí)，進(jìn)而相較于未熔融軟化充分的粒子，軟化粒子撞擊基材更易于與凹凸不平的表面互相嵌合,從而提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

圖5　3種涂層的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度

Fig 5 Bonding strength and micro-hardness of three coatings

另外，噴涂氣流量增大使粒子速度增大，涂層孔隙率的降低； 同時(shí)H2氣流量增大也使焰流溫度增加，兩種粒子的外部區(qū)域進(jìn)一步軟化融合，使顆粒間的結(jié)合更為緊密；涂層噴涂粉末中鋁酸鍶硬質(zhì)顆粒的存在(高鋁青銅粉末硬度為222.9 HV，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粉末硬度為470～570 HV)，鋁酸鍶 (SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+) 沉積量增大等因素均提高了涂層硬度。

3.3涂層發(fā)光性能

圖6為S1、S2、S3涂層中的磷光粒子沉積的熒光顯微照片，經(jīng)采用Image Pro Plus 6.0軟件定量金相法計(jì)算3種涂層中磷光粒子的沉積率分別為4%，15%，32.1%。即隨H2氣流量逐漸增加，涂層中發(fā)光質(zhì)點(diǎn)數(shù)顯著增多。粒子在焰流中以不同速度沉積在基體上是導(dǎo)致獲得不同沉積率的主要原因[19-22]。當(dāng)H2氣流量為1 L/min時(shí)，在該氣流量下，顆粒飛行速度較低，同時(shí)氣流熱焓低，粒子在沒(méi)有熔融情況下撞擊到基材表面易脫離，只有少量小粒徑SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粒子夾雜在高鋁青銅粒子之中沉積下來(lái)，如圖6(a)所示。隨H2氣流量增大至10～ 16 L/min，傳遞給SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+顆粒的動(dòng)能增加，使之以較大速度嵌在軟化的高鋁青銅粒子中，被隨后噴出的顆粒覆蓋或包裹， 以致SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粒子的沉積增加(圖6(b)、(c))?？梢?jiàn)H2氣流量對(duì)噴涂粉末沉積率的影響,尤其是SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粒子的沉積效率產(chǎn)生了較為顯著的影響。

圖63種涂層的熒光顯微照片

Fig 6 Fluorescence photomicrograph of three coatings

圖7為不同H2氣流量下3種復(fù)合涂層的發(fā)射光譜與SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+發(fā)射光譜。

圖7　3種復(fù)合涂層的發(fā)射光譜

圖7中3種涂層發(fā)光強(qiáng)度隨H2氣流量增大而依次增強(qiáng)。隨H2氣流量增大，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+粒子的沉積率增大(如圖6示)，進(jìn)而涂層的發(fā)光強(qiáng)度隨之增大。觀察發(fā)射光譜的峰形發(fā)現(xiàn)3種復(fù)合涂層的發(fā)射圖譜均在480及530 nm處出現(xiàn)了發(fā)射峰，480 nm發(fā)射峰對(duì)應(yīng)于Eu2+的t2g→8S7/2能級(jí)躍遷[23]，與SrAl4O7相發(fā)射峰相符。530 nm處發(fā)射峰同樣是Eu2+的5d→4f寬帶躍遷[24]，但相比SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+材料在520 nm左右的發(fā)射峰[25]發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象。發(fā)生紅移是因?yàn)閲娡坎牧现懈咪X青銅(Cu-14Al-X)所含的稀土離子Ce3+在高溫條件下進(jìn)入SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+晶格中與Dy3+離子共同起輔助激活劑的作用，但由于不同的稀土離子具有的電負(fù)性和離子大小不同，它們?nèi)〈|(zhì)離子后所產(chǎn)生的能級(jí)陷阱也不同，從而提供不同的能量，因此會(huì)對(duì)SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的發(fā)射光譜產(chǎn)生影響[26]。

4結(jié)論

研究了不同工藝參數(shù)對(duì)制備高鋁青銅磷光粒子復(fù)合發(fā)光涂層的影響，結(jié)果表明：

(1)高鋁青銅磷光粒子復(fù)合發(fā)光涂層物相組織均由高鋁青銅噴涂主相： Al0.5Fe0.5、AlFe3、Cu9Al4，鋁酸鍶主相SrAl2O4及雜相SrAl4O7、SrFe2O4組成，雜相的生成是由于高溫條件下發(fā)生相變及化學(xué)反應(yīng)所致。

(2)隨H2氣流量增加，噴涂速度及溫度增加，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+沉積率增大，涂層的硬度、結(jié)合強(qiáng)度、致密性及發(fā)光強(qiáng)度顯著提高。

(3)噴涂過(guò)程中的高溫和氧化作用，高鋁青銅磷光粒子復(fù)合發(fā)光涂層發(fā)光發(fā)射光譜由SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+相在530 nm處的5d→4f寬帶躍遷紅移峰和SrAl4O7相在480 nm處Eu2+的t2g→8S7/2能級(jí)躍遷峰組成，但依然保持了涂層良好的發(fā)光性。

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Luminescence and mechanical properties of supersonic plasma spray Cu-14Al-X/phosphorescence composite coatings

LV Ye, LI Wensheng, HE Ling,YANG Xiaotian, DU Lianchao, WANG Fuquan

(Lanzhou University of Technology, State Key Laboratory of Advanced Nonferrous Materials Process and Recycles, Lanzhou 730050, China)

Abstract:Cu-14Al-X/SrAl2O4∶ Eu2+, Dy3+phosphorescence composite coating were prepared on 45# carbon steel substrate by using different spraying parameters (the flow rate of secondary gas H2) with supersonic plasma spraying. The phase, microstructures, and luminescence properties were investigated by XRD, SEM, EDS and fluorescent photometer technologies. The results show that all three coatings are mainly composed of Al0.5Fe0.5, AlFe3, Cu9Al4, SrAl2O4 phase with slightly SrAl4O7 and SrFe2O4 phase; when the flow rate of H2 increases from 1 L/min to 16 L/min, significant increase was observed in terms of the deposition rate of the spraying material, especially the deposition rate of phosphorescence particles, while the improvement is also observed in luminescence intensity, bonding strength, micro-hardness and density.

Key words:supersonic plasma spraying;Cu-14Al-X;mechanical properties;luminescence property

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.025

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG178

作者簡(jiǎn)介：呂葉(1988-)，女，甘肅天水人，在讀碩士，師承李文生教授，從事耐磨蝕材料及表面研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家國(guó)際科技合作資助項(xiàng)目(2013DFR50790)；中國(guó)科學(xué)院西部之光計(jì)劃資助項(xiàng)目(01-0526)；國(guó)家自然科學(xué)基金與英國(guó)皇家學(xué)會(huì)交流資助項(xiàng)目(51211130116)；甘肅省杰出青年基金資助項(xiàng)目(1111RJDA013); 甘肅省高等學(xué)?？蒲匈Y助項(xiàng)目(2013B-016)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)01-01122-05

收到初稿日期：2015-01-27 收到修改稿日期：2015-10-12 通訊作者：李文生，E-mail: Wensheng-li@sohu.com