超音速火焰噴涂制備Cr2AlC涂層組織性能分析

何艾

摘 要： 超音速火焰噴涂是一種高速火焰噴涂技術(shù)，發(fā)展于上世紀(jì)80年代，具有良好的噴涂質(zhì)量，Cr2AlC涂層應(yīng)用該技術(shù)制備時(shí)，可獲得良好的組織性能。本文即在介紹超音速火焰噴涂技術(shù)基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)方式分析了其制備的Cr2AlC涂層的組織性能。

關(guān)鍵詞： 超音速火焰噴涂；Cr2AlC涂層；組織性能

前言：迄今為止，在MIX類化合物中，被認(rèn)為具有最好的抗氧化性能的化合物即為Cr2AlC、Ti2AlC，因其高溫條件下的抗氧化性能及穩(wěn)定性十分突出，吸引了大量學(xué)者研究其以抗氧化保護(hù)涂層的方式應(yīng)用到高溫領(lǐng)域。目前，工業(yè)領(lǐng)域制備涂層時(shí)，最常用方法為超音速火焰噴涂，該方法制備出來的涂層具有較低的孔隙率、較高的界面結(jié)合強(qiáng)度，在碳化物涂層制備中非常適用。

1超音速火焰噴涂技術(shù)介紹

超音速火焰噴涂技術(shù)屬于熱噴涂技術(shù)，發(fā)明者為Browing（美國），發(fā)明時(shí)間為1981年。噴槍為該技術(shù)的核心設(shè)備，構(gòu)成為燃燒室、Laval噴嘴、等截面長噴管，煤油等液體經(jīng)小孔進(jìn)入燃燒室，霧化作用下混合氧氣，被點(diǎn)燃，氣相反應(yīng)強(qiáng)烈發(fā)生，反應(yīng)產(chǎn)物在燃燒熱能刺激下劇烈膨脹，此時(shí)Laval噴嘴約束流經(jīng)的膨脹氣流，使超音速高溫焰流形成，噴涂材料被焰流加熱加速，高強(qiáng)度、致密的結(jié)合基體表面，形成涂層[1]。超音速火焰噴涂技術(shù)具有非常高的火焰速度，但相對(duì)具有較低的溫度，為300℃左右，噴涂過程中，可有效抑制WC-Co系硬質(zhì)合金的分解，從而提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度及致密性，并增強(qiáng)涂層的耐磨損性能，使其耐磨損性能相當(dāng)于爆炸噴涂層。

2超音速火焰噴涂制備Cr2AlC涂層的組織性能實(shí)驗(yàn)分析

2.1制備Cr2AlC涂層

Cr2AlC化合物粉末制備方法為粉末冶金燒結(jié)法，以Cr粉、C粉、Al粉作為原料，原料配比采用2：1.2：1。以瑪瑙球作為介質(zhì)球磨原料粉末混合物，共進(jìn)行12h。利用真空燒結(jié)爐實(shí)施粉末冶金燒結(jié)，真空度1×10-2Pa，燒結(jié)過程劃分為低溫段和高溫段兩個(gè)階段，低溫段時(shí)，溫度由室溫升高到630℃，升溫緩慢進(jìn)行，速度控制為10℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后維持2h；高溫段時(shí)，溫度由630℃升高到1350℃，升溫快速進(jìn)行，速度20℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后維持2h。燒結(jié)后，利用高能球磨破碎粉末，涂層制備過程中使用的粉末粒度選擇2種：40～48μm、-40μm，制備方法為超音速火焰噴涂。

2.2性能測(cè)試和表征

測(cè)量Cr2AlC粉末的氧、C含量時(shí)，方法分別選擇惰性氣體脈沖紅外熱導(dǎo)法、高頻燃燒紅外法。分析粉末及涂層的相結(jié)構(gòu)時(shí)，儀器采用X′Pert PRO MPD型X射線衍射儀，以Cu靶作為陽極靶，電壓、電流設(shè)置為40kV、40mA，掃描速度8°/min，掃描步長0.02°，每步進(jìn)行20s停留。線切割噴涂試片，變?yōu)樾≡嚇樱?guī)格5mm×5mm×10mm，以樹脂鑲樣作為樣品界面，研磨操作利用金相砂紙逐級(jí)進(jìn)行，達(dá)到1200目后停止，表面利用1.5μm金剛石拋光液拋光，腐蝕處理后，觀測(cè)樣品，儀器為掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡。涂層斷層組織形貌觀察儀器為場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，并利用配套能譜儀開展能譜分析。應(yīng)用金相樣品開展顯微硬度測(cè)試，涂層表面顯微硬度測(cè)試采用顯微硬度計(jì)。

2.3組織性能分析

2.3.1粉末和涂層相結(jié)構(gòu)分析

粉末相含量確定后，通過定量分析，將粉末中Cr2AlC單向含量計(jì)算出來，結(jié)果顯示超過98%，Al2O3為第二相，含量則不超過2%。Cr2AlC粉末中，氧含量、C含量測(cè)定結(jié)果分別為1.56%、8.23%。球磨混料過程中，Al自身會(huì)發(fā)生氧化，再加上高溫制備Cr2AlC粉末期間也會(huì)發(fā)生氧化，使粉末含有氧；而C含量基本一致于Cr2AlC的化學(xué)配比。粉末微觀組織經(jīng)掃描電鏡觀察，結(jié)果顯示，具有均勻的顆粒尺寸，分布分散程度較高，團(tuán)聚現(xiàn)象不存在。綜合上述分析，Cr2AlC化合物粉末利用真空燒結(jié)法制備時(shí)，特點(diǎn)為具有較高的單相純度、顆粒均勻的分散，與Cr2AlC涂層應(yīng)用超音速火焰噴涂法制備的要求相符合。涂層制備后，XRD分析結(jié)果顯示，盡管粉末粒度不同，但具有基本相同的相組成。

2.3.2涂層微觀組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)涂層截面金相照片，涂層厚度均超過200μm，具有均勻的微觀組織，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密性非常強(qiáng)，裂紋并未明顯的存在。利用“灰度法”統(tǒng)計(jì)涂層的孔隙率，粉末粒度為40～48μm時(shí)，孔隙率6.9%左右；粉末粒度為-40μm時(shí)，孔隙率4.4%左右。觀察涂層截面形貌圖發(fā)現(xiàn)，超音速噴涂形貌特征明顯存在：扁平化層狀堆疊在熔融顆粒高速?zèng)_擊下形成，原因是飛行粒子在噴涂過程中會(huì)高速撞擊基體，使粒子變?yōu)楸馄交?，并在基體上焊扎；同時(shí)，堆垛孔隙、橫向裂紋等存在于涂層中[2]。能譜分析結(jié)果顯示，區(qū)域具有較深顏色的，與Cr2AlC化學(xué)計(jì)量比大致符合，而具有較淺顏色的則明顯具有較低的Al含量，與涂層XRD結(jié)合發(fā)現(xiàn)，Cr7C3衍射峰現(xiàn)象存在，推斷Cr7C3化合物由淺色區(qū)域部分Cr2AlC分解形成。

2.3.3涂層的顯微硬度

顯微硬度測(cè)試時(shí)，每個(gè)樣品的測(cè)試點(diǎn)隨機(jī)選擇5個(gè)，測(cè)試結(jié)果顯示，具有較為集中的顯微硬度值，大范圍波動(dòng)現(xiàn)象并不存在，這說明，涂層具有均勻的組織，內(nèi)部較少存在孔隙。同時(shí)，分別分析不同粒度粉末制備的涂層，發(fā)現(xiàn)40～48μm粒度的涂層平均顯微硬度值低于-40μm粒度涂層，參照孔隙率測(cè)試結(jié)果可知，與40～48μm粒度涂層相比，-40μm粒度涂層具有更高的致密度，也反映出粉末粒度會(huì)一定的影響涂層的致密度。

結(jié)論：Cr2AlC涂層利用超音速火焰噴涂法制備時(shí)，其相結(jié)構(gòu)基本一致于Cr2AlC粉末，氧化現(xiàn)象并不會(huì)明顯的出現(xiàn)在噴涂的粉末中，粉末粒度越小情況下，越能提高涂層的致密度。

參考文獻(xiàn)

[1]楊思澤.超音速火焰噴涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂層耐沖蝕性能研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2017，59（02）：66-70.

[2]門向東，陶鳳和，甘霖，等.超音速火焰噴涂Cr3C2-NiCr與WC-Co涂層高溫結(jié)合性能研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2015，44（07）：2005-2010.