等離子噴涂Fe-W-B涂層的微觀結(jié)構(gòu)與性能研究

楊國平，李　軍

(四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川　成都　610065)

?

等離子噴涂Fe-W-B涂層的微觀結(jié)構(gòu)與性能研究

楊國平，李軍

(四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065)

以水霧化Fe-W-B球狀合金粉末為原料，在45#鋼基體表面采用等離子噴涂技術(shù)制備Fe-W-B涂層。結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、能譜(EDS)、顯微硬度計(jì)等對Fe-W-B涂層的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成、元素分布、力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e-W-B涂層呈層狀堆疊結(jié)構(gòu)，涂層較為致密均勻；涂層物相為α-Fe相，且衍射峰向小角度偏移，各元素分布均勻；涂層結(jié)合強(qiáng)度為23.1MPa，斷裂類型為涂層層間斷裂；涂層硬度明顯高于45#鋼基體，分布在370～405 HV之間。

Fe-W-B涂層；等離子噴涂；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

Fe-W-B合金具有許多特殊物理化學(xué)性能，可廣泛用作非晶材料、磁性材料、硬質(zhì)材料、耐磨材料等[1-4]使用。Yi Ge等[5]采用化學(xué)還原法合成了一系列不同F(xiàn)e、W、B比例的Fe-W-B非晶球狀納米粉，尺寸為30-100μM；E.Abakay等[3]以FeB粉和FeW粉為原料，采用TIG技術(shù)在AISI 1020鋼表面制備了Fe-W-B硬質(zhì)涂層，但涂層存在成分不均、與基體結(jié)合力較差等問題。為了擴(kuò)大Fe-W-B合金材料的研究，本文率先以水霧化法制備的球形Fe-W-B合金粉末為原料，采用等離子噴涂技術(shù)在45#鋼基體表面制備了Fe-W-B涂層，并對涂層的物相組成、元素分布、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原材料及儀器設(shè)備

水霧化Fe-W-B(原子比：Fe90W5B5)合金粉末，自制，粉末粒度分布為50～150μM，且粉末球形度較高，流動性較好，適宜用作噴涂粉末，F(xiàn)e-W-B合金粉末微觀形貌如圖1所示。45#鋼基體材料，中色寧夏東方集團(tuán)有限公司，丙酮清洗表面油脂后用棕剛玉噴砂處理。自熔性鎳鋁合金粉末作為噴涂層與基體之間的粘結(jié)層材料，自制，鎳鋁重量比約8:2。高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂E7膠，上海華誼樹脂有限公司。

圖1　水霧化Fe-W-B合金粉末微觀形貌SEM

APS2000型大氣等離子噴涂設(shè)備，METCO公司；JSM-6090LV型掃描電子顯微鏡及附加X射線能譜儀(EDS)，日本電子株式會社；DX-2700型X射線衍射儀，丹東浩元儀器有限公司；WDW200E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南時代山峰儀器有限公司；DHV-1000Z型顯微硬度計(jì)，上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.2涂層制備

采用APS2000型大氣等離子噴涂設(shè)備，選用的噴涂工藝參數(shù)見表1所示，F(xiàn)e-W-B涂層厚度約200 um。

表1　等離子噴涂參數(shù)

1.3性能表征

采用JSM-6090LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對粉末和涂層的微觀形貌進(jìn)行分析表征，并結(jié)合其附帶的X射線能譜儀(EDS)分析涂層的元素分布。采用DX-2700型X射線衍射儀(XRD)檢測粉末與涂層的物相組成，相關(guān)參數(shù)為Cu靶Kα輻射源，λ=0.1546 mm，電壓30 kV，電流40 mA，掃描角度為20～90°，速度為0.06 °/s。采用WDW200E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)測試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，加載速率為1 mm/min，每組5個試樣。結(jié)合強(qiáng)度膠粘劑選用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂E7膠，固化溫度100℃，時間3 h。采用DHV-1000Z型顯微硬度計(jì)測試涂層硬度分布，載荷1.96 N，加載時間15 s。

2　結(jié)果與討論

2.1Fe-W-B涂層微觀結(jié)構(gòu)

圖2　Fe-W-B涂層表面(a)與截面(b)的微觀形貌

圖2為Fe-W-B涂層表面與截面微觀形貌圖。由圖4a可以看出，F(xiàn)e-W-B粉末顆粒噴涂后熔融效果良好，涂層表面呈“層狀”堆疊結(jié)構(gòu)和飛濺散射狀。可見，F(xiàn)e-W-B粉末在等離子電弧的加熱作用下形成熔融或半熔融狀態(tài)，通過高壓載氣高速撞擊基體表面，并在基體表面鋪展形成層狀或飛濺散射狀。最先到達(dá)基體的熔融粒子首先在基體上形成涂層，在其未完全鋪展或半凝固狀態(tài)時又被后來的噴涂粒子覆蓋，如此循環(huán)積累，形成層狀堆積的結(jié)構(gòu)[6]。從涂層截面形貌(圖4b)可以明顯看出噴涂粒子層狀堆疊結(jié)構(gòu)，涂層較為致密，但涂層中存在少量孔隙?？紫吨饕欠勰╊w粒在堆疊過程中形成的，由于凝固時間很短，熔化顆粒無法到達(dá)前一個已鋪展顆粒的邊角處進(jìn)行填充以及加載氣體的卷入[7]，從而使得涂層中不可避免的出現(xiàn)孔隙，且孔隙多呈條狀或弧狀。此外，涂層內(nèi)仍有少量未熔融或熔融程度較低的Fe-W-B顆粒，這可能是由噴涂功率偏小或者粒子受熱不均勻造成。

2.2Fe-W-B涂層物相組成與元素分布

圖3為水霧化Fe-W-B粉末與Fe-W-B涂層XRD分析結(jié)果，可見Fe-W-B粉末與涂層的物相都為α-Fe相且衍射峰向小角度偏移，但未檢測到W、B相關(guān)相。分析可知在水霧化過程中，液滴冷卻速率極快，原子擴(kuò)散受到抑制，W、B原子來不及擴(kuò)散析出而被“凍結(jié)”在Fe原子周圍，最終形成固溶了大量W、B元素的α-Fe固溶體。W、B元素的固溶致使α-Fe相晶格發(fā)生畸變，晶格常數(shù)增大，晶面間距增加。根據(jù)Bragg定律方程2dsinθ=nλ，當(dāng)入射波長λ不變時，晶面間距d增加，衍射角θ減小，因此，α-Fe相衍射峰向小角度偏移。Fe-W-B涂層之所以出現(xiàn)同樣的結(jié)果，是因?yàn)樵趪娡窟^程中，高速行進(jìn)的高溫噴涂粒子在基體表面或已鋪展的噴涂粒子表面快速冷卻凝固，噴涂粒子內(nèi)部固溶的W、B原子來不及擴(kuò)散析出形成新的物相。另外，涂層表面相對粗糙，所以涂層衍射峰強(qiáng)度低于粉末。

圖3　Fe-W-B涂層XRD

圖4為Fe-W-B涂層線掃描分析結(jié)果，圖4a中最左邊為鑲嵌樹脂，層狀結(jié)構(gòu)左側(cè)為Fe-W-B涂層，厚度約150μM，右邊為45#鋼基體，中間為Ni-Al粘結(jié)層，厚度約20μM。沿涂層厚度方向，元素的濃度分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征。由于涂層中B含量較低且B為輕元素，所以能譜中很難檢測出。從圖4中可以看出，雖然各元素的線掃描結(jié)果均出現(xiàn)了一定的背底信號，但各元素的濃度分布很明顯，如W元素主要分布在涂層中(圖4f)，F(xiàn)e元素主要存在于涂層和基體中(圖4e)，Ni元素和Al元素分布于粘結(jié)層中(圖4c與圖4d)。粘結(jié)層中Ni濃度相對于Al濃度較高，這與選用的粘結(jié)層為自熔性鎳鋁合金粉末中鎳鋁重量比相匹配。涂層中Fe含量比基體中相對較低，則在圖4e中可明顯看出粘結(jié)層兩側(cè)的Fe元素濃度有一定差距。由于掃描線是沿涂層厚度方向隨機(jī)選取的，所以線掃描結(jié)果可以說明涂層中Fe、W、B、Ni、Al各元素分布均勻，不存在化學(xué)成分分布不均的問題。

圖4　Fe-W-B涂層沿涂層厚度方向線掃描能譜圖

2.3Fe-W-B涂層力學(xué)性能

Fe-W-B涂層的結(jié)合強(qiáng)度平均值為23.1MPa，涂層與基體結(jié)合效果良好。從涂層拉伸斷口發(fā)現(xiàn)剝離即出現(xiàn)在涂層一層，也出現(xiàn)在基體表面一側(cè)，即涂層破壞是發(fā)生在涂層內(nèi)部，而非完全是涂層與基體的界面或者膠粘面。涂層斷口微觀形貌如圖5所示，可見涂層內(nèi)部的斷裂為冶金結(jié)合的層狀堆積物的斷裂以及未熔融機(jī)械粘附顆粒的剝落，同時斷面中存在E7膠的殘余和少量微觀孔洞。造成涂層斷面出現(xiàn)在涂層層間的原因?yàn)椋菏紫?，F(xiàn)e-W-B涂層及鎳鋁粘結(jié)層在45#鋼基體表面呈層狀堆積，各層片間的結(jié)合方式主要以冶金結(jié)合和機(jī)械粘附為主，機(jī)械粘附的結(jié)合較差，未熔融顆粒極易剝離，使得Fe-W-B涂層結(jié)合強(qiáng)度較低；其次，涂層內(nèi)部不可避免的存在不規(guī)則分布的孔洞，當(dāng)孔洞存在時，在應(yīng)力作用下，容易形成裂紋，從而降低了涂層自身的內(nèi)聚力致使涂層的破壞極易出現(xiàn)在片層之間的孔洞處。

圖5　Fe-W-B涂層斷口形貌圖

圖6為Fe-W-B涂層沿涂層厚度方向不同位置的硬度分布情況，可見沿涂層厚度方向不同位置的維氏硬度存在一定的差異，F(xiàn)e-W-B涂層維氏硬度在370～405 HV之間，Ni-Al粘結(jié)層硬度約225 HV，45#鋼基體硬度約205 HV，涂層與粘結(jié)層之間的界面附近硬度約250 HV，45#鋼基體與粘結(jié)層之間的界面附近硬度約235 HV。涂層硬度高主要由涂層內(nèi)部W、B元素的固溶強(qiáng)化作用以及涂層快速凝固時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力造成的，而中間層(涂層與粘結(jié)層之間和45#鋼基體與粘結(jié)層之間)的硬度高是因?yàn)檎辰Y(jié)層中的Ni與涂層和基體中的Fe反應(yīng)生成金屬間化合物，對中間層起到強(qiáng)化作用的結(jié)果。由于涂層內(nèi)總存在少量孔洞及氧化物，使得涂層硬度分布存在一定的離散性。

圖6　Fe-W-B涂層沿涂層厚度方向不同位置的顯微硬度

3　結(jié)　論

(1)以水霧化Fe-W-B球狀合金粉末為原料，采用等離子

噴涂技術(shù)制備的Fe-W-B涂層主要呈層狀堆疊結(jié)構(gòu)，涂層較為致密均勻，但不可避免的存在少量微觀孔隙。

(2)Fe-W-B涂層物相為α-Fe相，但衍射峰向小角度偏移，主要由噴涂過程中高溫噴涂粒子快速凝固時固溶于粉末顆粒內(nèi)部的W、B原子來不及擴(kuò)散析出造成。涂層沿厚度方向的線掃描結(jié)果顯示涂層內(nèi)部各元素分布均勻，不存在成分偏析。

(3)Fe-W-B涂層結(jié)合強(qiáng)度為23.1MPa，斷裂類型為涂層層間斷裂。涂層顯微硬度明顯高于45#鋼基體，分布在370～405 HV之間。

[1]Mohan C V,Kaul S N.Critical behavior of magnetization and gilbert damping parameter in amorphous Fe83-xWxB17alloy [A].AIP Conference Proceedings[C].American Institute of Physics,1992:315-317.

[2]陳金昌,沈保根,詹文山,等.W對非晶態(tài)Fe-B基合金的磁性、電性及熱穩(wěn)定性的影響[J].物理學(xué)報,1986,35(8):979-988.

[3]Abakay E,Kilinc B,Sen S,et al.Microstructural examinations of Fe-W-B base hard-faced steel[A].International Multidisciplinary Microscopy Congress[C].Springer International Publishing,2014:143-149.

[4]Li J L,Li J,Li C,et al.Reactive synthesis of FeWB powders and preparation of bulk materials[J].Int.Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2014,46:80-83.

[5]Yi G,Guo Y,Zhang B W,et al.Preparation and thermal properties of amorphous Fe-W-B alloy nano-powders[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,74:10-13.

[6]Mepherson R.On the formation of thermally sprayed Alumina coatings[J].Journal of Materials Science,1980,15:3141-3149.

[7]Yang Y Z,Liu Z G,LiuZ Y,et al.Interfacial phenomena in the plasma spraying Al2O3+13%TiO2ceremic coating[J].Thin Solid Flims,2001,388(1):208-212.

Research on Microstructure and Properties of Fe-W-B Coatings Prepared by Plasma Spraying

YANG Guo-ping,LI Jun

(College of Materials Science and Engineering,Sichuan University,Sichuan Chengdu 610065,China)

Fe-W-B coatings were prepared by plasma spraying with spherical water-atomized Fe-W-B alloy powders on 45# steel substrate.The microstructure,phase composition,element distribution and mechanical properties of Fe-W-B coatings were investigated by scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction (XRD),energy disperse spectroscopy(EDS),micro-hardness tester,and so on.The results showed that the Fe-W-B coatings exhibited a layered stacking structure and the coatings were relatively compact and uniform.The phase of the Fe-W-B coatings was α-Fe phase but the diffraction peaks shifted to small angle.All elements homogeneously distributed.The adhesion strength of the coatings was 23.1MPa,and fracture type was the interlayer fracture in the coatings.The micro-hardness of Fe-W-B coatings was significantly higher than 45# steel substrate,ranging from 370 HV to 405 HV.

Fe-W-B coatings; plasma spraying; microstructure; mechanical properties

楊國平(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：復(fù)合材料。

TG174.442

A

1001-9677(2016)011-0143-04