掃描間距對激光制備納米SiC抗氧化涂層的影響

路遠(yuǎn)航，駱芳,,，胡曉冬，蔣榮杰，沈逸周

掃描間距對激光制備納米SiC抗氧化涂層的影響

路遠(yuǎn)航1,2，駱芳1,2,3,4，胡曉冬4，蔣榮杰3，沈逸周3

（1.杭州春江閥門有限公司，杭州 311500；2.浙江省春江智能閥研究院，杭州 311500；3.浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院，杭州 310024；4.浙江省高端激光制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，杭州 310014）

研究激光的掃描間距對納米SiC涂層形貌、生長機理和抗氧化涂層的影響。以不同掃描間距的激光輻照制備SiC納米涂層。分別利用體視顯微鏡、掃描電鏡（SEM）和激光共聚焦顯微鏡分析涂層表面、截面的三維形貌，研究掃描間距對涂層形貌的影響，探究微米SiC顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米SiC顆粒的演變及生長機理。用熱失重法（TGA）研究試樣高溫抗氧化性能，包括試樣的氧化失重率隨溫度變化和650、800 ℃兩種溫度下的恒溫抗氧化性能對比分析，并用阿倫尼烏斯線性擬合進行了驗證。激光能夠促使預(yù)置于石墨基體上的微米SiC顆粒在Ar保護下的密閉反應(yīng)室中轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米SiC顆粒，且涂層主要由結(jié)晶度良好的α–SiC、β–SiC納米晶顆粒組成。當(dāng)掃描間距為0.08 mm時，形成的涂層表面較為平滑均勻，粗糙度較小，最高處與最低處的高度差僅為135.829 μm，且此間距下，試驗活化能值=11.014×104J/mol最大，抗氧化性能最好。其次試樣在600～850 ℃范圍內(nèi)，試樣氧化失重率較低，小于8%，其氧化失重率與氧化時間呈現(xiàn)出較好的一次線性的擬合度。激光輻照制備的SiC納米涂層的形貌、生長機理、高溫抗氧化性能隨著掃描間距的不同而產(chǎn)生較大變化，表明在激光掃描間距為0.08 mm的條件下所制備的試樣涂層表面具有較高的活化能，驗證了此參數(shù)下制備的涂層的高溫抗氧化性能最好，且能夠在高溫環(huán)境中有效降低石墨的氧化失重率。

激光制備；掃描間距；SiC涂層；抗氧化性能

SiC納米涂層由于具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能和散熱性能，可在1 200 ℃以上仍能長期工作，并在機械、電子、化工、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來，制備涂層材料的方法主要有：料漿法、溶膠凝膠法（Sol–Gel）、氣相沉積法、包埋法、熱噴涂法等[2-6]。Yang等[7]采用包埋法制備了SiC/YSiC復(fù)合涂層，熔鹽試驗表明其抗氧化性能提高。Huang等[8]采用包埋法制備出了Si–SiC涂層和SiC–Si–ZrB2涂層，不僅在結(jié)構(gòu)上分布致密，沒有產(chǎn)生孔洞以及裂紋，而且基體與涂層間結(jié)合十分緊密。所制備的涂層具有優(yōu)異的抗氧化保護能力，可使空氣中的氧化失重率大大降低，但包埋涂層需要在100 ℃條件下干燥10 h，效率較低。

采用化學(xué)沉積法[9-12]制備SiC涂層、Cf/C/SiC復(fù)合涂層、C/SiC復(fù)合材料滲Cr后滲硅涂層，其制備溫度較高，常需要十幾到二十多小時?；瘜W(xué)氣相反應(yīng)法（CVR）制備的SiC涂層上再沉積玻璃碳層，與石墨具有更強的結(jié)合力，使涂層具有更強的抗高溫氧化性能[13-16]。其涂層避免了化學(xué)沉積僅做涂覆，不做孔隙填補的工藝弊端，但制備的碳化硅涂層的質(zhì)量在很大程度上取決于石墨基體的原始表面條件，制備周期長達24 h。Luo等[17]采用浸漬的方法制備Al2O3包SiC，制備過程超過13 h。Fu等[18]采用簡單低成本的漿料方法制備了硼酸玻璃，并將其與MoSi2按一定比例混合后刷涂在SiC–C/C復(fù)合材料上制備了高溫抗氧化的復(fù)合涂層[19-20]，但其涂層只能在較低溫度使用，且與基體結(jié)合力較差。

徐喆等[21]采用溶膠凝膠法，在SiC–C/C材料上制備出了ZrO2–SiO2復(fù)合涂層。但隨著氧化時間的增加，所制備的涂層出現(xiàn)了裂紋等缺陷，加劇了氧化的程度，無法滿足長時間的抗氧化保護。采用高溫固相反應(yīng)法合成碳纖維增強的碳化硅復(fù)合材料，形成LMA/Er2Si2O7和LMA/Er2Si2O7/Si兩種結(jié)構(gòu)的抗氧化涂層。Si涂層對基體微孔起密封作用，降低了氧氣的滲透率。隨著溫度大于1 200 ℃，循環(huán)熱震10次后，涂層裂紋逐漸增多[1,23]。

上述工藝，都有一共同特點：制備周期長，工藝較復(fù)雜等?；诖?，Luo等[1]采用激光輻照工藝，在鎳基板將微米SiC制備成納米SiC涂層，為制備納米材料提供了一種新的途徑。Socol[25]采用脈沖激光沉積工藝，在不同的甲烷氣體壓力下，在（100）硅基面上從400 ℃到1 000 ℃沉積SiC薄膜。Cui[26]將納米碳化硅顆粒預(yù)置在Al基板上，采用激光0.6 J的激光能量熔化鋁板，得到具有納米SiC的復(fù)合層。激光具有超快加熱、可控性好、重復(fù)性好，峰值功率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點[27-28]，具有的瞬態(tài)非平衡能量輸出機制可以為整個制備過程提供快速高效的熱源。當(dāng)與材料相互作用時，激光光斑內(nèi)所呈現(xiàn)出高斯分布的能量密度使不同位置的材料所受到的激光能量密度不同，因而可以得到不同的組織結(jié)構(gòu)。其具有的非常高的溫度梯度、極短的加熱時間和瞬態(tài)的高速冷淬過程使材料的相變幾乎在原位發(fā)生，從而可以令所獲得材料的晶粒尺寸保持在納米尺寸。Luo等[29]已經(jīng)對不同激光能量密度下制備的涂層試樣的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、抗氧化性能進行分析對比，本文旨在研究不同激光掃描間距涂層試樣的形貌和抗氧化性能差異。

1 試驗

1.1 涂層制備

本文選用北京晶龍?zhí)靥际珡S的高純石墨為基體，粒度為40 μm的高純SiC微粉為涂層主要原料，實驗室自制的9.3%酚醛樹脂/無水乙醇溶液作為黏結(jié)劑，按一定比例混合，置于磁力攪拌器中充分?jǐn)嚢柚辆鶆驖{料。然后用涂刷法將涂層漿料均勻地涂刷在石墨基體表面形成預(yù)置涂層，厚度為0.3 mm，然后放入80 ℃烘箱中15～20 min烘干。重復(fù)上述操作，制備預(yù)置涂層試樣若干塊，并用稱重法選樣，選用質(zhì)量變化相同的預(yù)置涂層試樣進行后續(xù)的激光處理。試驗設(shè)備選用IPG公司的振鏡式連續(xù)光纖激光器（PS– YLR–500），波長為1 060～1 090 nm，光斑大小為120 μm，場鏡焦距為298 mm。為防止石墨基片在高能量密度的激光作用下被氧化，試驗采用Ar氣保護裝置，如圖1所示。本試驗采用的激光掃描方式為往復(fù)掃描，掃描路徑如圖2所示。試驗完成后，在取出試樣前需使其在氣氛保護裝置中自然冷卻一段時間，避免激光作用后的殘余熱影響使石墨基體氧化。

圖1 激光輻照處理設(shè)備示意圖

1.2 組織形貌觀察及性能測試

試樣的微觀形貌分析分別采用日本日立（haitachi S–4700）場發(fā)射電子顯微鏡（SEM）、NIKON公司的三目體視光學(xué)顯微鏡（型號為SMZ745T）和日本基恩士公司的激光共聚焦顯微鏡。其中，通過SEM觀察可以確認(rèn)組成涂層顆粒維持在納米尺度。表面形貌觀察主要用到了體視顯微鏡。激光共聚焦顯微鏡采用VK–X1000系列形狀測量激光顯微系統(tǒng)，能更完整清晰觀察涂層表面的連續(xù)性，分析粗糙度。

圖2 激光掃描方式示意圖

選用上海大恒光學(xué)精密機械有限公司SG– XL1400高溫箱式爐，進行了650、800 ℃兩種溫度條件下的恒溫氧化測試以及650～800 ℃失重速率隨溫度變化的測試。用電子天平（感量0.01 mg）稱量氧化前后的質(zhì)量，根據(jù)其失重率變化來表征涂層的抗氧化性能。試樣失重率（Δ）與質(zhì)量的關(guān)系為：

式中：1、2分別代表涂層樣品氧化前后的質(zhì)量。

2 分析與討論

2.1 涂層顯微形貌

在石墨基塊表面均勻涂覆的微米SiC涂層，如圖3a所示為激光處理前的預(yù)置涂層顯微形貌，是粒度為10～50 μm不等的不規(guī)則形狀顆粒。為使微米SiC充分轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米SiC涂層，激光輻照區(qū)域調(diào)節(jié)為10 mm × 10 mm。表1是激光輻照的工藝參數(shù)，選定激光功率為200 W，掃描速度為30 mm/s，根據(jù)激光能量密度公式[30]：

E=/() (2)

式中：E表示激光能量密度，J/mm2；表示激光功率，W；表示激光光斑直徑，mm；表示激光掃描速度，mm/s?？芍藭r激光能量密度為55.56 J/mm2，然后調(diào)節(jié)激光掃描間距分別為0.06、0.08、0.10 mm進行激光處理。圖3b—d分別對應(yīng)激光掃描間距為0.06、0.08、0.10 mm時高倍數(shù)下的SEM形貌，可知3種掃描間距下制備的涂層顆粒均在納米尺度，表面經(jīng)激光輻照后所獲得的涂層為納米SiC涂層。

圖3 不同掃描間距激光處理SiC涂層表面組織結(jié)構(gòu)

表1 改變激光掃描間距的工藝參數(shù)

Tab.1 Process parameter table for changing laser scan track spacing

圖4為涂層經(jīng)不同道間距激光輻照后的XRD圖。由圖4可知，涂層顆粒主要由α–SiC、β–SiC組成。涂層顆粒經(jīng)不同激光能量密度的激光輻照后，衍射特征峰沒有產(chǎn)生明顯的差異，表明其物相組成并沒有發(fā)生明顯的變化，且所有的衍射峰都非常尖銳，表明涂層的納米顆粒為結(jié)晶度良好的晶體結(jié)構(gòu)。

激光作用于預(yù)置涂層試樣時，其物料的傳遞過程如圖5所示。在密閉的反應(yīng)室中填充有惰性保護氣體，當(dāng)材料表面受激光光束作用時，如圖5a所示，在光斑周圍，由于高能量密度激光的瞬時熱作用，激光與SiC微米粉末作用后產(chǎn)生的等離子體會擴散到密閉的反應(yīng)室中，如圖5b和圖5c所示。它的能量會被周圍溫度較低的保護性氣體吸收，環(huán)境溫度因此升高而等離子體溫度降低，且由于激光瞬時熱作用造成的較大溫度梯度，其中所包含的微觀粒子開始快速冷卻、成核、結(jié)晶，原子分子團簇在一起，形成納米顆粒。由熱力學(xué)可表述為：在激光作用下，密閉的反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體，當(dāng)其處于過飽和狀態(tài)時，吉布斯自由能較高，系統(tǒng)不穩(wěn)定，通過析出新物質(zhì)的形式來減小吉布斯自由能，由此激光作用后較大的溫度梯度成為新物質(zhì)結(jié)晶成核及長大的驅(qū)動力[31]。

圖4 SiC涂層顯微形貌

圖5 激光作用物質(zhì)傳遞過程示意

2.2 激光掃描間距對所形成的SiC涂層的顯微形貌的影響

圖6為涂層經(jīng)不同掃描間距激光輻照后的微觀形貌。圖6a為激光掃描間距為0.06 mm時，涂層試樣的典型微觀形貌，可知該激光能量密度下涂層表面納米SiC顆粒存在大量球狀聚集現(xiàn)象，分析其原因是涂層制備過程中由于激光掃描間距較小，在激光掃描總面積一定時，預(yù)置涂層試樣整體的熱輸入量較大，且相鄰掃描間隙較小時，激光輻照后散熱較慢，形成的納米SiC顆粒受殘余熱影響在沉積于表面的過程中仍然較為活躍，類似于溶液中的布朗運動，顆粒之間相互碰撞并由于納米顆粒間吸引力的作用連接在一起，形成二次顆粒，二次顆粒較單一顆粒運動速度下降，但仍有機會與其他顆粒發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更大的顆粒，直到大到無法運動沉降下來，從而出現(xiàn)大量球狀聚集現(xiàn)象。圖6b為激光掃描間距為0.08 mm時，涂層試樣的典型微觀形貌，涂層表面較為均勻致密，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。圖6c為激光掃描間距為0.10 mm時，涂層試樣的典型微觀形貌，由圖中可以明顯觀察到激光輻照的過渡區(qū)域沒有形成良好的燒結(jié)，存在較大縫隙，且燒結(jié)區(qū)域不規(guī)則、成形較差。綜上所述，在制備涂層過程中，當(dāng)激光掃描間距為0.06 mm時，涂層表面存在明顯的球狀聚集現(xiàn)象，其表面起伏較大；當(dāng)激光掃描間距為0.10 mm時，激光輻照的過渡區(qū)域能量輸入相對較少，形成較大的溫度梯度，掃描路徑中心區(qū)域微粒更易聚集，且過渡區(qū)域的殘余熱不足以使該處納米SiC顆粒形成良好的燒結(jié)，導(dǎo)致過渡區(qū)域形成較大縫隙；激光掃描間距為0.08 mm時，制備的涂層較為均勻連續(xù)，且未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，涂層形成質(zhì)量較好。

圖6 SiC涂層經(jīng)不同掃描間距激光輻照后的微觀形貌

為探究激光掃描間距對涂層表面三維形貌的影響，分別對0.06、0.08、0.10 mm的激光掃描間距下所制備的涂層試樣進行觀測，結(jié)果如圖7所示。其中圖7a—c分別表示激光掃描間距為0.06、0.08、0.10 mm時制備的涂層試樣。三維輪廓圖對應(yīng)數(shù)值為表2涂層經(jīng)不同激光掃描道間距激光輻照后的粗糙度。可以較為直觀地看出在激光掃描間距為0.06 mm時，涂層試樣表面具有明顯的隆起，是納米SiC顆粒團聚形成的球狀聚集體，最高處與最低處的高度差為240.237 μm；激光掃描間距為0.08 mm時，涂層試樣具有較平整均勻的表面形貌，最高處與最低處的高度差僅為135.829 μm；而激光掃描間距為0.10 mm時，其表面的高度差為320.658 μm。結(jié)合對應(yīng)的粗糙度數(shù)值進行對比可以發(fā)現(xiàn)，激光掃描道間距在0.06～ 0.08 mm范圍時，粗糙度隨著道間距的增大而減小，其原因是道間距為0.06 mm時，涂層整體的熱累積量較大，散熱較慢，受殘余熱影響，形成的納米顆粒更容易形成球狀聚集體，導(dǎo)致涂層表面不均勻；激光掃描間距在0.08～0.10 mm范圍時，粗糙度隨著道間距的增大而增大，此時由于激光掃描軌跡的過渡區(qū)域間隔較大，導(dǎo)致該區(qū)域不能形成良好的燒結(jié)，從而產(chǎn)生較大間隙，粗糙度因此增大。由此可知，當(dāng)激光掃描間距為0.08 mm時，形成的涂層表面較為平滑均勻，粗糙度較小。

圖8為涂層經(jīng)不同掃描間距激光輻照后的SEM典型截面形貌。其中，圖8a為掃描間距為0.06 mm時，試樣截面的SEM典型形貌，可以明顯觀察到此時表面起伏較大，對應(yīng)圖6a和圖7a中表面球狀聚集現(xiàn)象明顯、粗糙度較大的現(xiàn)象。圖8b為掃描間距為0.08 mm時，試樣截面的SEM典型形貌，此時表面波動較小，沒有明顯缺陷。圖8c為掃描間距為0.10 mm時，試樣截面的SEM典型形貌，可以觀察到存在明顯溝壑，對應(yīng)了圖6c和圖7c中涂層在激光掃描的過渡區(qū)域成形質(zhì)量不佳的情況，其涂層有可能會在高溫氧化處理過程中開裂而失效。以上分析結(jié)果均表明選用激光掃描道間距為0.08 mm時，可以獲得形貌較好、表面更為均勻連續(xù)、無明顯缺陷的納米SiC涂層試樣。

圖7 涂層經(jīng)不同掃描間距激光輻照后的三維形貌

表2 涂層經(jīng)不同激光掃描道間距激光輻照后的粗糙度

Tab.2 Roughness of coatings irradiated by laser with different scanning track spacing

圖8 涂層經(jīng)不同激光能量密度激光輻照后截面的SEM典型形貌

2.3 激光掃描間距對所形成的SiC涂層的高溫抗氧化性能的影響

圖9為不同激光掃描間距條件下制備的涂層試樣與無涂層的石墨試樣在600～850 ℃不同溫度條件下氧化20 min后的失重率隨溫度變化的曲線。由圖9可知，在600 ℃以下時，氧化20 min后，其失重率變化不太明顯，有涂層的試樣與裸露的石墨基體均表現(xiàn)出良好的抗氧化性能；然而，在650 ℃以上時，隨著溫度的持續(xù)提高，無SiC涂層保護的試樣的氧化失重率數(shù)值明顯增大，且有SiC涂層的試樣氧化失重率數(shù)值明顯小于無涂層的試樣。所以在600～750 ℃范圍內(nèi)，涂層試樣在高溫有氧環(huán)境中均表現(xiàn)出了良好的抗氧化性，其氧化失重率較低，小于8%。其中，激光掃描間距為0.08 mm時制備的涂層試樣在750 ℃以上時仍表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗氧化性能，其次是激光掃描間距為0.06 mm時制備的涂層試樣，而制備涂層時激光掃描間距為0.10 mm的涂層試樣表現(xiàn)出相對較差的抗氧化性能。即在其他工藝條件一定時，在激光掃描間距0.06～0.10 mm范圍內(nèi)，涂層試樣的抗氧化性能強弱隨激光掃描間距變化為隨著掃描間距的增加，先增強后減弱。其中，掃描間距選用0.08 mm時，涂層試樣呈現(xiàn)出了最優(yōu)異的抗氧化保護效果。

圖9 不同激光掃描間距條件下試樣的氧化失重率隨高溫處理溫度變化

為更好地反映涂層的高溫抗氧化性能，分別取650 ℃和800 ℃做了2組恒溫有氧條件下的高溫氧化測試，每隔20 min記錄試樣的質(zhì)量變化情況，并繪制試樣失重率隨氧化時間變化的曲線。圖10為650 ℃恒溫有氧條件下，試樣的失重率隨氧化時間變化的曲線。由圖10可知，在該溫度條件下，試樣的氧化失重率與氧化時間大致符合一次線性關(guān)系，表明其氧化速率大致穩(wěn)定。激光掃描間距為0.10 mm的涂層試樣表現(xiàn)出的抗氧化性能較差；激光掃描間距為0.06 mm和0.08 mm的涂層試樣在氧化前期表現(xiàn)出較好的抗氧化性能，而高溫氧化80 min后，激光掃描道間距為0.08 mm的涂層試樣表現(xiàn)出了更好的抗氧化性能。結(jié)合圖6c可知，在激光掃描間距較大的情況下，其掃描過渡區(qū)域并沒有形成良好的燒結(jié)，所制備的涂層中本身具有縫隙，在高溫處理過程中，基體和涂層共同受熱膨脹，涂層中原有的縫隙隨著基體的熱膨脹而拓寬并加深，形成較大裂紋，在高溫環(huán)境中，空氣中的氧氣通過裂紋透過涂層而與基體接觸，從而使石墨基體發(fā)生氧化。而激光掃描間距較小時，涂層經(jīng)激光掃描過程中由于預(yù)置涂層本身并不絕對均勻，伴隨殘余熱影響，所形成的納米SiC涂層表面并不均勻連續(xù)，低凹出容易在受熱過程中形成裂紋，成為氧氣接觸基體的通路。

圖11為800 ℃恒溫條件下，試樣的氧化失重率隨氧化時間變化的曲線，其氧化失重率與氧化時間同樣呈現(xiàn)出較好的一次線性的擬合度，且激光掃描道間距為0.08 mm的涂層試樣同樣表現(xiàn)出了更好的抗氧化性能。此溫度下，激光掃描間距為0.06 mm時的涂層試樣相比于激光掃描間距為0.10 mm的涂層試樣表現(xiàn)出較差的抗氧化性能，推測其原因是該溫度條件下，掃描間距為0.06 mm涂層試樣表面低凹處更容易在高溫環(huán)境中開裂，形成氧氣通路侵蝕基體。

綜上所述，激光輻照制備納米SiC涂層相較其他工藝所制備涂層主要有結(jié)晶度良好的α–SiC、β–SiC納米晶顆粒組成，活化能較高，抗氧化能力強；其次，激光輻照工藝由于采用黏結(jié)劑預(yù)置涂層，黏結(jié)劑在激光輻照后仍殘留在涂層中，由于其在高溫下具有較好的黏結(jié)性能，同樣可以在高溫下減少涂層開裂和抑制涂層裂紋的拓展，可以加強涂層對基體的保護效果。

圖10 在650 ℃恒溫條件下不同激光掃描間距試樣的氧化失重率隨高溫氧化時間變化

圖11 在800 ℃恒溫條件下不同激光掃描間距試樣的氧化失重率隨高溫氧化時間變化

圖12是通過阿倫尼烏斯公式線性擬合繪制的曲線。一般來說，活化能越高，抗氧化能力越強，阿倫尼烏斯公式可表示為：

式中：T表示絕對溫度，K；k表示溫度為T時的反應(yīng)速度常數(shù)；A指前因子，也稱為阿倫尼烏斯常數(shù)，單位與k相同；Ea稱為試驗活化能，一般可視為與溫度無關(guān)的常數(shù)，J/mol；R表示摩爾氣體常數(shù)，其值大約為8.314 472 J/(mol·K)。由此可通過計算反應(yīng)的活化能來驗證涂層的抗氧化能力。通過式（3）計算得到當(dāng)掃描間距為0.06 mm時，Ea=9.506× 104 J/mol；當(dāng)掃描間距為0.08 mm時，Ea=1.014× 104 J/mol；當(dāng)掃描間距為0.10 mm時，Ea=10.643× 104 J/mol。由此可知，掃描間距為0.08 mm時，涂層試樣所具有的活化能值最大，抗氧化性能最好，這與高溫氧化試驗結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

1）通過激光輻照的方法，采用酚醛樹脂作為預(yù)置涂層的黏結(jié)劑，在Ar氣氛保護的反應(yīng)室中實現(xiàn)了將微米SiC涂層轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米SiC涂層，在石墨基片表面成功制備了納米SiC保護涂層。

2）選定激光功率200 W、掃描速度30 mm/s，改變激光掃描間距的試驗結(jié)果表明，經(jīng)0.06 mm掃描間距的激光輻照后，涂層表面不均勻，表面起伏較大；經(jīng)0.10 mm間距的激光輻照后，涂層表面的掃描過渡區(qū)域存在燒結(jié)不良的現(xiàn)象；而經(jīng)0.08 mm掃描道間距的激光輻照后的涂層表面均勻連續(xù)，涂層形成質(zhì)量較好。

3）制備的納米SiC涂層可以有效抑制石墨基體在高溫有氧條件下被氧化，且由高溫氧化處理試驗結(jié)果可知，當(dāng)選用激光掃描間距為0.08 mm時，所制備的涂層的抗氧化性能最好。通過阿倫尼烏斯線性擬合曲線計算涂層試樣的活化能結(jié)果可知，激光掃描間距為0.08 mm時所具有的活化能值最大，驗證了該激光掃描間距時，所制備的涂層試樣的高溫抗氧化性能最好。

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Effect of Scanning Distance on Nano SiC Oxidation Resistant Coating Prepared by Laser

1,2,1,2,3,4,4,3,3

(1. Hangzhou Chunjiang Valve Corporation, Hangzhou 311500, China; 2. Zhejiang Chunjiang Intelligent Valve Research Institute, Hangzhou 311500, China; 3. Zhijiang College, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310024, China; 4. Zhejiang High End Laser Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Center, Hangzhou 310014, China)

SiC has good physical and chemical compatibility with graphite, which makes it one of the main materials in the research of graphite anti-oxidation coating. Therefore, in order to study the quality and performance of SiC coating on the surface of graphite substrate, this paper proposes a rapid preparation process of high temperature oxidation resistant nano-SiC coating on graphite substrate by laser irradiation, and obtains the best process parameters of preparation of oxidation resistant coating and the method of enhancing oxidation resistance effect by additives through experimental optimization design.

In this paper, a 500 W fiber laser with galvanometer was used to convert the micro-SiC coating into nano-SiC coating in an Ar atmosphere protected reaction chamber. The SiC coating was successfully prepared on the surface of graphite substrate. CCD response surface method was used to design the laser power, laser scanning path spacing and laser scanning speed as three factors and three levels experiment. According to the experimental results of high temperature oxidation at 700 ℃ for 1 h, the appropriate laser process parameters were preliminarily determined. The laser power and laser scanning speed determine the laser energy density. The experimental results show that the oxidation weight loss rate of the coating is related to the laser energy density and laser scanning channel spacing. When the laser power is 200 W, the channel spacing is 0.08 mm and the laser scanning speed is 30 mm/s, the oxidation weight loss rate of the coating sample is the lowest.

SEM, XRD and TEM were used to analyze the relationship between laser energy density, channel spacing and micro morphology, phase composition and crystal structure of the coating. The results show that the coating is nano-SiC coating. When the laser energy density is 55.56 J/mm2and the scanning spacing is 0.08 mm, the coating has good surface morphology and no obvious defects. The coating is mainly composed of α-SiC and β-SiC nanocrystals with good crystallinity. When the laser energy density is 55.56 J/mm2, the coating is mainly composed of single crystal structure; when the laser energy density is 83.33 J/mm2, polycrystalline and single crystal structure coexist; when the laser energy density is 111.11 J/mm2, the coating is mainly composed of polycrystalline structure. Through constant temperature oxidation experiments at 650 ℃ and 800 ℃ and 600-850 ℃ The relationship between the laser energy density, the laser scanning path spacing and the oxidation resistance of the coating was studied, and the experimental results were compared with the uncoated graphite samples. It was proved that the prepared nano SiC coating could effectively inhibit the oxidation of graphite matrix in high temperature aerobic environment. At the same time, the failure mechanism of the coating samples in high temperature oxidation was analyzed, and the oxidation experimental results were verified by linear fitting of Arrhenius formula. The results show that the oxidation resistance of the coating is the best when the laser energy density is 55.56 J/mm2and the scanning distance is 0.08 mm.

laser preparation; scanning distance; SiC coating; oxidation resistance

2021-06-25；

2021-12-29

LU Yuan-hang (1988-), Male, Master, Engineer, Research focus: surface strengthening of valve sealing.

路遠(yuǎn)航, 駱芳, 胡曉冬, 等. 掃描間距對激光制備納米SiC抗氧化涂層的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 395-403.

V261.8

A

1001-3660(2022)09-0395-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–06–25；

2021–12–29

路遠(yuǎn)航（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向為閥門密封面表面強化。

LU Yuan-hang, LUO Fang, HU Xiao-dong, et al. Effect of Scanning Distance on Nano SiC Oxidation Resistant Coating Prepared by Laser[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 395-403.

責(zé)任編輯：萬長清