Fe-Ga磁致伸縮粉末制備及涂層組織及性能研究*

戚青麗，沈功田，鄭 陽，潘晴川，黃松嶺

(1. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2. 清華大學(xué) 電機(jī)系，北京 100084)

0 引 言

磁致伸縮材料是一種智能材料，基于磁致伸縮效應(yīng)，自發(fā)現(xiàn)以來其在驅(qū)動器、傳感器以及換能器等領(lǐng)域的應(yīng)用為國內(nèi)外研究者所關(guān)注[1-3]。磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的核心部件是磁致伸縮材料，其磁-機(jī)械轉(zhuǎn)化率對檢測靈敏度具有重要影響。磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)是一種新型的無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法[4]，主要是利用粘接劑(如環(huán)氧樹脂等)在被檢試件上粘貼磁致伸縮帶材[5]，但是高溫等惡劣環(huán)境下粘接劑容易失效，不能實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測，并且不適用于大曲率、不規(guī)則復(fù)雜構(gòu)件的檢測。

Fe-Ga合金作為一種新型的磁致伸縮材料，具有高磁機(jī)械耦合效應(yīng)、低磁場敏感性、高磁致伸縮應(yīng)變和良好機(jī)械加工性[6-8]。通過粉末冶金方法制備Fe-Ga磁致伸縮粉末，并采用噴涂技術(shù)將Fe-Ga粉末沉積在被檢測試件上進(jìn)行缺陷監(jiān)測，有望彌補(bǔ)磁致伸縮帶材導(dǎo)波技術(shù)在在線監(jiān)測過程中的不足。

粉末制備方法大體可以歸結(jié)為兩大類，如機(jī)械法和物理化學(xué)法。與其他制粉方法相比，霧化法適用于金屬及合金粉末的制備、生產(chǎn)效率高，常用的介質(zhì)為氣體或水，可以制備組織均勻的合金粉末[9]。氣霧化法以氬氣為霧化氣體，制備的粉末粒徑小、球形度高、含氧量低，生產(chǎn)成本低，是近年發(fā)展起來的生產(chǎn)球形合金及金屬粉末的主要手段[10]。

由于被檢測試件剛度比較大，如不銹鋼、合金鋼等，為提高噴涂過程中粉末的沉積率，選擇熱噴涂技術(shù)作為噴涂手段。目前熱噴涂方法主要有等離子噴涂[11]，火焰噴涂[12]，超音速火焰噴涂[13]，以及爆炸噴涂[14]等。超音速火焰噴涂過程中，高壓高速粒子碰撞基體時(shí)產(chǎn)生的噴丸效應(yīng)有助于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并改善涂層的結(jié)合力和內(nèi)聚力，進(jìn)而提高涂層的綜合性能[15-16]。

因此，本文通過合理調(diào)控氣霧化制粉工藝制備球形度較好的Fe-Ga磁致伸縮粉末，研究粉末的微觀組織及結(jié)構(gòu)；采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備Fe-Ga磁致伸縮涂層，并對涂層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、結(jié)合強(qiáng)度和磁致伸縮性能等進(jìn)行研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 粉末和涂層的制備

在考慮Ga燒損率的前提下，F(xiàn)e-Ga合金是將純Fe和純Ga金屬(純度均為99.9 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))按照一定比例配料，采用真空冶煉的方式得到成分分布均勻的合金鑄錠；隨后采用氣霧化制粉的方法，得到顆粒細(xì)小、具有一定流動性的、且氧化程度較低的球形Fe-Ga磁致伸縮粉末；最后篩分得到粒度30～60 μm、適合超音速火焰噴涂的Fe-Ga粉末，考慮熱膨脹系數(shù)的前提下，選擇316L不銹鋼為基體，使用JP8000超音速火焰噴涂設(shè)備制備Fe-Ga涂層。在沉積涂層之前需進(jìn)行噴砂處理以去除316L不銹鋼基體表面的氧化皮，表1為超音速火焰噴涂過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)。

表1 超音速火焰噴涂的工藝參數(shù)

1.2 樣品的性能及表征

采用熱鑲機(jī)將Fe-Ga粉末與電木粉的混合粉末加工成塊狀樣品，樣品經(jīng)過打磨、拋光和侵蝕后在表面進(jìn)行噴金或者碳處理以提高導(dǎo)電性。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對Fe-Ga粉末及涂層的微觀組織進(jìn)行觀察與分析，并使用Image-Pro?Plus軟件計(jì)算Fe-Ga涂層的平均孔隙率。利用X射線衍射儀(XRD)分析Fe-Ga粉末和涂層的相結(jié)構(gòu)。

衡量涂層性能的一個(gè)重要指標(biāo)是涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，本文根據(jù)GB/T8642-2002的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)測定基體與涂層間的結(jié)合強(qiáng)度。

在外加載荷作用下硬度是材料局部永久變形阻力的量度。涂層或者薄膜等樣品由于厚度的局限性，其硬度常采用的表征方法是納米力學(xué)探針或者極淺壓痕的維氏和努氏硬度試驗(yàn)。因此本文采用Nano Indenter XP納米力學(xué)探針法表征Fe-Ga涂層的顯微硬度。

利用JDAW-2011磁致伸縮測試儀，通過電阻應(yīng)變片法測量Fe-Ga涂層的磁致伸縮系數(shù)。沿應(yīng)變片方向施加磁場，在外磁場的作用下，應(yīng)變片的金屬絲電阻發(fā)生變化，基于平衡電橋法，微小的電阻變化將轉(zhuǎn)換成電壓變化，通過前置放大器將電壓根據(jù)一定的比例放大，將電壓信號轉(zhuǎn)換成被測試樣的應(yīng)變：

式中：λ為樣品的磁致伸縮系數(shù)，Δl為長度l的樣品在磁場中沿測量方向的變化量，ΔR為電阻為R的應(yīng)變片的變化量，k0為應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末的形貌及相組成分析

圖1為不同放大倍數(shù)下Fe-Ga粉末的SEM圖像。從圖1(a)和(b)可看出，氣霧化粉末顆粒分布均勻，粒度范圍為10～150 μm，粉末球形度較高。顆粒表面呈現(xiàn)凸凹不平的特征，是因?yàn)橛山饘僖旱问湛s成球形顆粒存在一個(gè)逐漸冷卻的過程，導(dǎo)致顆粒內(nèi)外冷卻不均勻形成的。

圖1 Fe-Ga粉末的SEM形貌圖

圖2為不同粒度Fe-Ga粉末顆粒的XRD衍射圖譜。將Fe-Ga粉末篩分成4個(gè)粒度區(qū)間：(1)<30 μm；(2)30～60 μm；(3)60～75 μm；(4)>75 μm。如圖2所示，不同粒度粉末的衍射圖譜中均出現(xiàn)(110)、(200)、(211) 3個(gè)衍射峰，無衍射峰的偏移以及其他衍射峰的出現(xiàn)。研究結(jié)果表明粉末具有體心立方結(jié)構(gòu)，是Ga原子在α-Fe中的固溶體，且Ga原子和Fe原子隨機(jī)占位。相對衍射峰強(qiáng)度I200/I110和I211/I110無明顯變化，說明粉末顆粒無擇優(yōu)取向。

圖2 不同粒度Fe-Ga粉末的XRD衍射圖譜

2.2 涂層的微觀組織和相結(jié)構(gòu)

圖3為Fe-Ga涂層的表面和橫截面顯微組織形貌圖。圖3(a)表明在低倍下觀察到涂層由熔融顆粒和未熔融顆粒組成。熔融態(tài)及半熔融態(tài)高速粒子沉積在基體表面時(shí)呈扁平形狀，涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)均勻致密，如圖3(b)所示。由于粒子呈扁平狀態(tài)后冷卻速度較快，沉積過程中會造成體積收縮，從而導(dǎo)致孔隙的出現(xiàn)。涂層與基體之間結(jié)合良好，呈鋸齒狀，這是由于高速流動的粒子具有高的機(jī)械能，使涂層與之間結(jié)合更加致密。

圖3 Fe-Ga涂層的表面及截面形貌圖

大量熔融態(tài)和半熔融態(tài)顆粒的存在使涂層的孔隙率呈分散分布，采用Image-Pro?Plus軟件計(jì)算涂層的平均孔隙率。隨機(jī)選取1000×橫截面SEM圖20張，圖像分析的機(jī)理和詳細(xì)過程參考Zhang等的研究工作[17]，最后通過對涂層的裂紋和孔洞等位置進(jìn)行綜合地測試分析，得到Fe-Ga涂層平均孔隙率小于1.2%。

圖4為Fe-Ga粉末(30～60 μm)和超音速火焰噴涂制備的不同厚度Fe-Ga涂層的XRD衍射圖譜。由圖4(a)和(b)可以看出，F(xiàn)e-Ga涂層和粉末二者的(110)、(200)、(211)三強(qiáng)衍射峰均保持一致，表明粉末顆粒沉積過程中沒有發(fā)生明顯的相變，這可能是由于噴涂過程中，相對高的冷卻速率使涂層保持高溫相(A2)。涂層和粉末主要由α-Fe構(gòu)成，與粉末相比，涂層的I200/I110和I211/I110相對衍射峰強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化，說明高速粒子撞擊基體過程中，顆粒內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力，晶粒發(fā)生了細(xì)化，并且顆粒的快速冷卻有可能會促進(jìn)非晶相形成，導(dǎo)致涂層的相對衍射峰變?nèi)跻约胺逦坏拿黠@寬化[18]。

圖4 Fe-Ga粉末和不同厚度涂層的XRD衍射圖譜(a)以及(110)衍射峰的局部放大(b)

2.3 涂層的結(jié)合強(qiáng)度

根據(jù)GB/T8642-2002的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將拉伸對偶試件與Fe-Ga涂層試件用高強(qiáng)度AB膠粘接在一起，在干燥箱里進(jìn)行充分地保溫、固化。圖5是超音速火焰噴涂Fe-Ga涂層的拉伸曲線圖。由曲線可知，F(xiàn)e-Ga涂層結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到70 MPa，并且涂層沒有從基體上撕裂下來，而是AB膠斷裂，這說明超音速火焰噴涂制備的Fe-Ga涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度超過70 MPa，但由于AB粘膠性能的局限性，無法測得涂層結(jié)合強(qiáng)度的準(zhǔn)確值。Fe-Ga涂層高的結(jié)合強(qiáng)度歸因于超音速火焰噴涂過程中粉末顆粒的高飛行速度。高的飛行速度使粉末顆粒在高溫下停留的時(shí)間縮短，降低氧化程度，另外粒子撞擊基體時(shí)具有大的動能，致使粉末顆粒的扁平化程度加劇。

圖5 Fe-Ga涂層與基體結(jié)合力曲線

2.4 涂層的硬度

采用納米壓痕的方法對涂層的顯微硬度進(jìn)行測試，如圖6所示。沿箭頭方向每排取5個(gè)測試點(diǎn)，總共取7排，第一排測試點(diǎn)選在基體上，測試點(diǎn)位置分布，如圖6(a)所示。測試過程中探針的加載載荷為700 mN，加載時(shí)間為15 s。

由圖6(b)可以看出，從基體到涂層，平均顯微硬度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，基體的平均硬度接近4.177 GPa，涂層的平均硬度略高于4.5 GPa。Fe-Ga涂層的硬度受涂層的相結(jié)構(gòu)影響，沉積過程中顆粒的快速冷卻促進(jìn)非晶相形成，表現(xiàn)為各項(xiàng)同性，因此有利于涂層硬度的提高[19]。結(jié)合面處的平均硬度最低，是因?yàn)橥繉优c基體的界面結(jié)合處缺陷較多。

圖6 Fe-Ga涂層的顯微硬度分布

靠近結(jié)合面的基體硬度略高于不銹鋼，可能是噴涂過程中粒子碰撞基體產(chǎn)生了加工硬化導(dǎo)致的，基體產(chǎn)生塑性變形使內(nèi)部出現(xiàn)位錯(cuò)塞積阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動，基體內(nèi)強(qiáng)度和硬度等機(jī)械性能增加，因此靠近結(jié)合面處基體的硬度高于基體材料。

2.5 涂層的磁致伸縮性能

采用超音速火焰噴涂技術(shù)在316L不銹鋼基體上噴涂400和300 μm 兩種厚度的Fe-Ga涂層，分別從噴涂試件上切取500 μm厚的涂層樣品進(jìn)行磁致伸縮性能測試，測試樣品分別帶有100和200 μm的不銹鋼基體，圖7為不同厚度涂層的磁致伸縮與磁場的關(guān)系曲線。在外加靜磁場的作用下，隨厚度的增加涂層磁致伸縮系數(shù)增大，這可能與316L基體材料的影響有關(guān)。在不考慮粉末顆粒退磁因子影響的前提下，316L不銹鋼無磁性，在磁場作用下產(chǎn)生微小應(yīng)變或者無應(yīng)變，測試過程中，基體對涂層的作用力與外場作用下涂層產(chǎn)生應(yīng)力相等，因此基體對涂層的平面應(yīng)變性能會產(chǎn)生一個(gè)弱化作用，在一定范圍內(nèi)，磁致伸縮隨涂層厚度的增加而增加。在涂層厚度為400 μm時(shí)，F(xiàn)e-Ga涂層的磁致伸縮應(yīng)變?yōu)?.0×10-5，飽和磁場約為131340 A/m，和鑄造Fe-Ga多晶材料以及粘接Fe-Ga復(fù)合材料的磁致伸縮系數(shù)一個(gè)數(shù)量級[20-21]，說明采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備磁致伸縮涂層的可行性。

圖7 不同厚度Fe-Ga涂層的磁致伸縮曲線

3 結(jié) 論

針對磁致伸縮導(dǎo)波監(jiān)測成本高、檢測對象局限性的問題，提出在被檢測試件上沉積磁致伸縮涂層的方法。主要通過氣霧化法制備Fe-Ga球形粉末并采用超音速火焰噴涂在316L不銹鋼基體上沉積Fe-Ga縮涂層，對粉末及涂層的微觀組織進(jìn)行研究，并表征涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度以及磁致伸縮性能，得出結(jié)論如下：

(1)以Fe-Ga合金為原料，采用氣霧化制備了球形粉末，粉末球形度較高，具有單一的α-Fe相。

(2)利用超音速火焰噴涂制備Fe-Ga涂層，涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合致密，局部出現(xiàn)孔洞，平均孔隙率低于1.2%；保持單一的α-Fe相結(jié)構(gòu)。

(3)Fe-Ga涂層硬度分布均勻，平均顯微硬度為4.57 GPa高于基體的4.177 GPa；同時(shí)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高于70 MPa。

(4)在外磁場作用下，F(xiàn)e-Ga涂層產(chǎn)生伸縮應(yīng)變，400 μm厚涂層的磁致伸縮系數(shù)為3.0×10-5。由于基體材料的影響，涂層產(chǎn)生的應(yīng)變在一定厚度范圍內(nèi)隨厚度的增加而增加。