等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的耐磨損及耐腐蝕性研究

姜 帆， 于德會(huì)， 宮文彪*

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012；2.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)合涂層的耐磨損及耐腐蝕性研究

姜 帆1， 于德會(huì)2， 宮文彪2*

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012；2.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)

用大氣等離子噴涂(APS)技術(shù)在3種不同工藝參數(shù)條件下制得Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層。采用掃描電鏡(SEM)對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，分別用FM-700型顯微硬度分析儀和M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了涂層的顯微硬度和耐磨性能，用Lviumastat電化學(xué)分析系統(tǒng)測(cè)試了涂層的耐腐蝕性能。結(jié)果表明：采用50 V-550 A/600 A/650 A電流參數(shù)所制備的涂層均呈層片狀結(jié)構(gòu)，隨著噴涂電流的增加，涂層的顯微硬度逐漸增大、孔隙率逐漸降低，涂層的耐磨損性能提高。涂層的耐電化學(xué)腐蝕性能與涂層的孔隙率有關(guān)。

大氣等離子噴涂(APS)； Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層； 顯微硬度； 耐磨性能； 耐電化學(xué)腐蝕性能

0 引 言

等離子噴涂是采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以粉末為噴涂材料的熱噴涂方法。其特點(diǎn)是射流溫度高，能熔化幾乎所有材料，因而噴涂用材廣泛。采用等離子噴涂的方法可制備各種具有耐磨、耐熱、耐腐蝕、耐氧化、導(dǎo)電、絕緣等優(yōu)異性能的涂層[1-3]。其中氧化鋁陶瓷涂層在等離子噴涂中的應(yīng)用尤為突出，氧化鋁涂層可用作常溫下的低應(yīng)力磨粒磨損、硬面磨損、耐多種化工介質(zhì)和化工氣體腐蝕、耐氣蝕和沖蝕涂層[4-6]。通常利用氧化鋁的高硬度、高耐磨性及耐高溫性能制備多種復(fù)合涂層，以提高零件表面的耐磨性[7]。以往的研究大都集中在Al2O3制備的涂層[8-10]，但氧化鋁陶瓷材料具有質(zhì)脆、對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感、抗熱震性差等固有特點(diǎn)，與金屬材料的熱物理性能(如膨脹系數(shù)、彈性模量、熱導(dǎo)率等)差別也大，制備的涂層易剝離[4]。文中以Al2O3為基礎(chǔ)材料，將Ni5Al以一定比例摻入其中，試驗(yàn)研究了在不同噴涂參數(shù)條件下制備的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)以及耐磨損、耐腐蝕性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與涂層制備

噴涂的基體材料采用304不銹鋼板材，尺寸為210 mm×140 mm×4 mm，噴涂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。通過(guò)機(jī)械混合的方法獲得混合粉末，其中Ni5Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂預(yù)處理，具體噴涂參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 涂層組織性能表征

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡分析復(fù)合涂層截面的組織結(jié)構(gòu)，使用Leica金相分析系統(tǒng)對(duì)掃描電鏡獲得的照片進(jìn)行孔隙率測(cè)定,隨機(jī)選取涂層的5個(gè)截面測(cè)定孔隙率,并取平均值作為復(fù)合涂層的孔隙率。用FM-700型顯微硬度分析儀測(cè)試涂層的顯微硬度，載荷為100 g，加載時(shí)間15 s。

用M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，用水切割方法將等離子噴涂試樣切成摩擦面為Φ10 mm的試樣，預(yù)先打磨平整，在FA2004N型電子天平上稱出其原始質(zhì)量，試驗(yàn)載荷5 kg，削盤(pán)轉(zhuǎn)速400 r/min。在相同的磨損行程下,測(cè)量每個(gè)試樣的磨損質(zhì)量，用平均磨損量評(píng)價(jià)涂層的耐磨損性能。

表1 等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層工藝參數(shù)

1.3 耐電化學(xué)腐蝕測(cè)試

運(yùn)用Lviumastat電化學(xué)分析系統(tǒng)分別測(cè)定基體和噴涂電流為550、600、650 A條件下制備的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層試樣的極化曲線。試驗(yàn)所選用的腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的氯化鈉溶液，掃描速度50 mV/s，試驗(yàn)溫度為25 ℃，掃描區(qū)間-2.0～2.0 V。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層顯微結(jié)構(gòu)特征

在噴涂參數(shù)分別為550、600、650 A條件下獲得的涂層截面形貌分別如圖1～圖3所示。

(a) (b)

圖1 550 A參數(shù)下制備的涂層

3種噴涂參數(shù)下制備的涂層厚度分別為445、460、438 μm，見(jiàn)圖1(a)、圖2(a)和圖3(a)。涂層和基體之間的界面凹凸起伏，應(yīng)該是噴砂處理時(shí)形成的凸凹表面使沉積的粉末在基體表面鋪展形成的，為等離子噴涂所具有的典型“鉤狀”結(jié)合方式。復(fù)合涂層的局部放大圖見(jiàn)圖1(b)、圖2(b)和圖3(b)，可以看到，涂層層間沉積狀態(tài)隨著噴涂電流的變化存在一定差異，涂層中灰白色的組織逐漸增加，這部分是熔化后凝固的Ni5Al-Al2O3?？梢?jiàn)，隨著噴涂電流的增加，涂層中未熔化的Al2O3陶瓷顆粒呈減少趨勢(shì)。文獻(xiàn)[11-13]研究認(rèn)為,這是因?yàn)殡S著噴涂電流的增加，噴涂功率也隨之提高，噴涂粉末在等離子焰流的作用下熔化得更充分，當(dāng)這些粉末顆粒高速撞擊到基體表面后出現(xiàn)扁平化效應(yīng)發(fā)生形變，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)。

2.2 涂層孔隙率測(cè)定

涂層孔隙率是表征涂層內(nèi)含有孔隙多少的量化指標(biāo)，它是噴涂層中孔隙的體積與涂層總體積之比(即涂層材料在噴涂前后體積的相對(duì)變化率)。用閾值法對(duì)涂層截面圖像黑白二值化處理，測(cè)得在噴涂參數(shù)為550、600、650 A條件下所獲得涂層的平均孔隙率分別為12.34%、11.08%和10.03%?？梢?jiàn)，隨著噴涂電流的增加，涂層的孔隙率呈降低趨勢(shì)。

孔隙形成的主要原因?yàn)椋旱入x子焰流存在溫度梯度，這會(huì)造成等離子焰流不同位置的粉末熔化程度的不同,并且氧化鋁陶瓷粉末具有較高的熔點(diǎn)。因此，在等離子噴涂過(guò)程中，處于等離子焰流邊緣位置的大顆粒陶瓷粉末會(huì)沉積在涂層中，不能充分變形成扁平狀粒子，而周圍其它細(xì)小的氧化鋁顆?；蛉埸c(diǎn)稍低的Ni5Al發(fā)生熔化，經(jīng)高速撞擊到基體后凝固收縮，由于液態(tài)和固態(tài)的密度、收縮率不同，所以會(huì)在涂層中未熔化的顆粒周圍形成孔隙。

2.3 涂層顯微硬度測(cè)試

本試驗(yàn)比較了在噴涂電流為550、600、650 A條件下制備的復(fù)合涂層的顯微硬度，從涂層的表面開(kāi)始向不銹鋼基體進(jìn)行顯微硬度測(cè)試的結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合涂層顯微硬度測(cè)試

從圖中可以看出，3種涂層的顯微硬度值隨噴涂電流的增大而升高。這種結(jié)果的出現(xiàn)應(yīng)該和噴涂功率的增大有關(guān)。隨著噴涂功率的增加，噴涂粉末熔化得更加充分，從而使涂層的孔隙率下降，顯微硬度升高。

2.4 涂層耐磨性能

對(duì)3種噴涂參數(shù)制備的試樣及基體材料分別在削盤(pán)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，在相同的載荷和磨損行程下稱量磨損后的試樣質(zhì)量，計(jì)算出在噴涂電流分別為550、600、650 A條件下制備的試樣在相同的試驗(yàn)條件的平均磨損量分別為0.002 6、0.001 6、0.001 2 g，而基體的磨損量為0.005 7 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同參數(shù)平均磨損失重量

從磨損結(jié)果可以看出，試樣的平均磨損量與噴涂電流大小成反比。這是因?yàn)殡S著噴涂電流的提高,孔隙率降低，涂層之間的內(nèi)聚強(qiáng)度提高，抗剝離性能隨之提高，另外復(fù)合涂層的平均硬度增加也會(huì)提高涂層的耐磨損性能。3種參數(shù)制備的涂層的平均磨損量均低于基體的平均磨損量。

2.5 涂層耐腐蝕性能

不銹鋼基體與噴涂電流分別在550、600、650 A條件下制備的復(fù)合涂層的Tafel極化曲線如圖6所示。

圖6 復(fù)合涂層Tafel極化曲線

圖中曲線1為不銹鋼基體Tafel極化曲線，曲線2、3和4分別為噴涂電流在550、600、650 A條件下制備的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的Tafel極化曲線。不銹鋼基體的腐蝕電位均低于在3種噴涂參數(shù)下制備的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的腐蝕電位，而不銹鋼基體的腐蝕電流密度高于3種噴涂涂層。

將3種涂層試樣的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪制成表2。

表2 極化曲線分析結(jié)果

由表2可知，在550 A條件下制備的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層具有較高的腐蝕電位(-0.52 V)和較低的腐蝕電流密度(0.015 mA·cm-2)，3種涂層試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。這應(yīng)該與Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的孔隙率有關(guān)，但具體相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)涂層和基體之間的界面凹凸起伏，呈現(xiàn)離子噴涂所具有的典型“鉤狀”結(jié)合方式。Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層以扁平狀堆積形成層片狀結(jié)構(gòu)，隨著噴涂電流的提高，涂層中未熔化的Al2O3陶瓷顆粒逐漸減少。

2)在噴涂參數(shù)為550、600、650 A條件下所獲得Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的平均孔隙率分別為12.34%、11.08%和10.03%，隨著噴涂電流的增加，涂層的孔隙率呈降低趨勢(shì)。

3)隨著噴涂電流的增加，顯微硬度提高，試樣的平均磨損量變小。3種參數(shù)制備的涂層平均磨損量均低于基體的平均磨損失重量，在噴涂電流為650 A時(shí)制備的涂層平均磨損量最小。

4)在550 A條件下制備的Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層具有較高的腐蝕電位(-0.52 V)和較低的腐蝕電流密度(0.015 mA·cm-2)，3種涂層試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

[1] 孫啟臣,張曉麗,張虎,等.等離子噴涂噴槍的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代制造工程,2012(8):133-137.

[2] Fauchais P. Understanding plasma spraying[J]. Journal of Physics D: Applied Physics,2004,37:R86-R108.

[3] Von Niessen K, Gindrat M, Refke A. Vapor phase deposition using plasma spray-PVDTM[J]. Journal of Thermal Spray Technology,2010(1/2):502-504.

[4] 張金星,程西云.等離子噴涂氧化鋁陶瓷涂層研究現(xiàn)狀及展望[J].熱加工工藝,2013,12(42):18-21.

[5] 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.

[6] 殷亞康,孫耀寧.等離子噴涂陶瓷涂層的應(yīng)用[J].電焊機(jī),2015,45(2):132-136.

[7] 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.

[8] 吳曉東,翁端,徐魯華,等.等離子噴涂氧化鋁涂層的結(jié)構(gòu)與性能研究[J].稀土,2002,23(1):1-5.

[9] 鄧暢光,鄧春明,劉敏,等.大氣和低壓等離子噴涂氧化鋁涂層[J].材料工程,2008(5):48-56.

[10] 馬東林,賀毅,王蘭,等.等離子噴涂氧化鋁涂層的熱震性能及微觀組織特征[J].熱加工工藝,2011,40(4):102-109.

[11] 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.

[12] 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.

[13] 姜帆,宮文彪,孫楓喬.等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(6):613-616.

Study on microstructure and wear resistance of Ni5Al-Al2O3coated with plasma spraying

JIANG Fan1, YU Dehui2, GONG Wenbiao2*

(1.Engineering Training Centre, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

With air plasma spraying (APS) technology, Ni5Al-Al2O3composite coatings were made under three technical parameters. The microstructure and properties of the coatings were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM). The micro-hardness of the coatings was measured with FM-700 micro-hardness analyzer, and wear resistance with M-200 tribometer, and corrosion resistance with Lviumastat electrochemical analysis. The results indicate that composite coatings have lamellar structures when the voltage/current is 50 V-550 A, 50 V-600 A, and 50 V-650 A. With the increase of spraying current, micro-hardness of the coatings increases and porosity decrease but wear resistance of the coatings increases. Electrochemical corrosion resistance of the coatings is related to the porosity.

air plasma spraying (APS); Ni5Al-Al2O3composite coatings; micro-hardness; wear resistance; electrochemical corrosion resistance.

2016-08-27

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20100454)

姜 帆(1987-)，男，漢族，吉林吉林人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師，吉林大學(xué)博士研究生，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，主要從事熱噴涂和材料連接方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.01

TG 174.453

A

1674-1374(2016)06-0521-05