利用超音速火焰噴涂制FeSiBCr涂層的工藝研究①

夏事成, 胡瑞章, 李 云, 郭 純

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

0 引 言

超音速火焰噴涂技術(shù)目前是一種優(yōu)秀的熱噴涂技術(shù)，其溫度可以達(dá)到2700℃，并且噴涂速度很快能夠達(dá)到2000m/s且能源利用率高[4]，同時(shí)超音速火焰噴涂制備的涂層有著孔隙率低、結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高等特點(diǎn)。同時(shí)非晶合金也叫金屬玻璃[8]，相比于晶體有著更加優(yōu)秀的堆積結(jié)構(gòu)，從而擁有更加優(yōu)異的力學(xué)性能和磁學(xué)性能[9]。而Fe基非晶合金涂層，作為一種優(yōu)秀的涂層，廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，曹棋[10]等通過(guò)冷噴涂技術(shù)制備的Fe25Cr20Mo1Si非晶涂層的非晶含量高達(dá)97.63%，涂層硬度最高達(dá)到1150HV,孔隙率僅為2.36%。說(shuō)明了Fe基非晶合金涂層擁有良好的力學(xué)性能。張志偉[11]通過(guò)超音速火焰噴涂制備了Fe48Mo14Cr15Y2C15B6非晶涂層通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該涂層在高壓下形成的鈍化膜厚度顯著增加，擁有比316L不銹鋼更加優(yōu)異的抗腐蝕能力。但是利用超音速火焰噴涂制備Fe基合金涂層工藝探索的相關(guān)報(bào)導(dǎo)較少，但是在噴涂的過(guò)程工藝參數(shù)對(duì)涂層最終的性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，所以本文主要通過(guò)控制變量法研究了在不同的工藝參數(shù)噴涂FeSiBCr鐵基非晶涂層孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度等性能的測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)文獻(xiàn)資料和已有研究結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)了FeSiBCr鐵基非晶耐磨損高導(dǎo)磁功能涂層用非晶合金粉末配方體系。

采用 X 射線衍射儀 (普析通用 XD-3 X射線衍射儀 ) 對(duì)制備的涂層進(jìn)行相組成分析，測(cè)試時(shí)采用 Cu Kα 靶為射線源，功率為 12 kW，管電壓為 36 kV，電流密度為 24 mA，掃描速率為4° /min，掃描步長(zhǎng)為 0.02°，掃描角度范圍為 10°～90°。

采用掃描電子顯微鏡 (EVO-18, Carl Zeiss ) 觀察制備的涂層截面顯微形貌。

設(shè)計(jì)的粉末配方如表1

表1 粉末成分表

1.2 噴涂設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的噴涂設(shè)備是鄭州立佳熱噴涂機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HV-8000 超音速火焰噴涂系統(tǒng)，采用航空煤油為燃料，用氧氣作為助燃劑。噴涂粉末使用 HV-80-JP 型送粉器進(jìn)行輸送，通過(guò)徑向送粉的方式把粉末送到火焰中，送粉載氣為氮?dú)狻?/p>

1.3 噴涂工藝參數(shù)

見表2。

表2 超音速火焰噴涂工藝參數(shù)表

1.4 涂層的性能測(cè)試

采用Zeiss Lab.A1金相顯微鏡，用顯微鏡自帶分析軟件檢測(cè)涂層的孔隙率和涂層厚度。涂層厚度測(cè)量按GB/T 6462-2005標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行?？紫堵蕼y(cè)量按ISO/TR 26946-2011標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

采用上海勵(lì)盾儀器儀表檢測(cè)技術(shù)有限公司的(HV-1000B顯微硬度計(jì)，對(duì)不同工藝參數(shù)下所制備的涂層截面進(jìn)行顯微硬度的測(cè)量。在硬度測(cè)量前首先試樣采用精密切割機(jī)切割，將切割后的涂層樣品采用冷鑲嵌方法鑲樣，對(duì)截面進(jìn)行研磨拋光。測(cè)量過(guò)程中施加的載荷為 200gf，加載時(shí)間 15 s，取平均值作為涂層的硬度。硬度測(cè)量按GB/T 230-2004標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

涂層結(jié)合強(qiáng)度拉力實(shí)驗(yàn)?zāi)z采用美國(guó)進(jìn)口熱噴涂結(jié)合強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)專用FM1000拉力實(shí)驗(yàn)?zāi)z，預(yù)壓后放入溫度為180～250℃的干燥箱內(nèi)固化2～3小時(shí)。拉伸試驗(yàn)使用濟(jì)南川佰儀器設(shè)備有限公司的WDW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)在環(huán)境溫度下進(jìn)行。依照 ASTM C633-13 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 不同工藝參數(shù)對(duì)FeSiBCr涂層性能的影響

超音速火焰噴涂涂層的性能主要取決于噴涂粉末附著基材表面時(shí)，粉末自身的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)，比如速度、氧化程度、冷卻速度、溫度、晶化程度等。而這些狀態(tài)又取決于噴涂時(shí)的工藝參數(shù)，如煤油與氧氣流量之比、噴涂功率、噴涂速度等[15]。因而對(duì)超音速火焰噴涂制備FeSiBCr涂層工藝的研究，有著重要意義。

2.1 不同工藝參數(shù)對(duì)涂層孔隙率的影響

2.1.1 不同涂層厚度對(duì)應(yīng)的涂層孔隙率

如圖3所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，隨著涂層厚度的增加，涂層孔隙率先上升后下降再上升，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)涂層厚度為0.33mm時(shí)孔隙率為0.56%，當(dāng)涂層厚度為0.46mm時(shí)孔隙率為0.57%，當(dāng)涂層厚度為0.53mm時(shí)孔隙率為0.37%，當(dāng)涂層厚度為0.61mm時(shí)孔隙率為0.62%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)涂層的最低孔隙率出現(xiàn)在涂層厚度為0.53mm時(shí)。

2.1.2 不同功率、煤油與氧氣量之比對(duì)應(yīng)的涂層孔隙率

如圖4所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，當(dāng)噴涂工藝中煤油量不變時(shí)，涂層孔隙率隨氧氣量的增加而降低。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)煤油量為6.5L/h、氧氣量為1750m3/h時(shí)，涂層孔隙率為0.8%；當(dāng)煤油量為6.5L/h、氧氣量為1850m3/h時(shí)，涂層孔隙率為0.22%；當(dāng)煤油量為6.8L/h、氧氣量為1900m3/h時(shí)，涂層孔隙率為0.49%；當(dāng)煤油量為6.8L/h、氧氣量為1950m3/h時(shí)，涂層孔隙率為0.39%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)涂層的最低孔隙率出現(xiàn)在煤油量為6.5L/h、氧氣量為1850m3/h時(shí)。

2.2 不同工藝對(duì)涂層顯微硬度的影響

2.2.1 不同涂層厚度對(duì)應(yīng)的涂層顯微硬度

如圖5所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，隨著涂層厚度的增加，涂層顯微硬度先降低后增加，當(dāng)涂層厚度為0.33mm時(shí)，顯微硬度為610HV0.2;當(dāng)涂層厚度為0.46mm時(shí)，顯微硬度為551HV0.2;當(dāng)涂層厚度為053mm時(shí)，顯微硬度為597HV0.2;當(dāng)涂層厚度為0.61mm時(shí)，顯微硬度為642HV0.2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知當(dāng)涂層厚度為0.61mm時(shí)，涂層擁有最高的顯微硬度。

2.2.2 煤油量氧氣量之比對(duì)應(yīng)的涂層顯微硬度

如圖6所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，當(dāng)噴涂工藝中煤油量不變時(shí)，涂層的顯微硬度隨氧氣含量的增加而增加。當(dāng)煤油量為6.5L/h、氧氣量為1750m3/h時(shí)涂層顯微硬度為510HV0.2；當(dāng)煤油量為6.5L/h、氧氣量為1850m3/h時(shí)涂層顯微硬度為600HV0.2；當(dāng)煤油量為6.8L/h、氧氣量為1900m3/h時(shí)涂層顯微硬度為555HV0.2；當(dāng)煤油量為6.8L/h、氧氣量為1950m3/h時(shí)涂層顯微硬度為585HV0.2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，涂層的顯微硬度在煤油量為6.8L/h、氧氣量為1850m3/h時(shí)達(dá)到最大。

2.3 不同工藝對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響

2.3.1 不同煤油量噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度

如圖7所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，涂層隨著煤油量的增加，結(jié)合強(qiáng)度先增加再減少，當(dāng)煤油量為5.0L/h時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度為56.7MPa；當(dāng)煤油量為5.5L/h時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度為58.3MPa；當(dāng)煤油量為6.0L/h時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度為66.0MPa；當(dāng)煤油量為6.5L/h時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度為65.3MPa；

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知當(dāng)煤油量為6.0L/h時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最大。

2.3.2 不同氧氣量噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度。

如圖8所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨氧氣含量的增加先減小再增加再減小，當(dāng)噴涂工藝中氧氣含量為1600m3/h時(shí)結(jié)合強(qiáng)度為70.7MPa；當(dāng)噴涂工藝中氧氣含量為1700m3/h時(shí)結(jié)合強(qiáng)度為67.0MPa；當(dāng)噴涂工藝中氧氣含量為1800m3/h時(shí)結(jié)合強(qiáng)度為69.7MPa；當(dāng)噴涂工藝中氧氣含量為1900m3/h時(shí)結(jié)合強(qiáng)度為66.7MPa；

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)噴涂工藝中氧氣含量為1600m3/h時(shí)結(jié)合強(qiáng)度最高。

2.3.3 不同噴距工藝噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度。

如圖9所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨噴涂距離的增加而先降低后增大再減小，當(dāng)噴涂距離為270mm時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度為57.3MPa；當(dāng)噴涂距離為300mm時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度為46.0MPa；當(dāng)噴涂距離為360mm時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度為49.0MPa；當(dāng)噴涂距離為390mm時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度為38.3MPa；

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，結(jié)合強(qiáng)度最大的點(diǎn)在噴涂距離為270mm時(shí)達(dá)到。

2.3.4 不同送粉率工藝噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度。

如圖10所示，在其他加工工藝條件不變的情況下，涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨送粉率的增加而先減小再增加再減小，當(dāng)送粉率在20g/min時(shí)涂層結(jié)合強(qiáng)度為53.0MPa；當(dāng)送份率在50g/min時(shí)涂層結(jié)合強(qiáng)度為38.7MPa；當(dāng)送粉率在60g/min時(shí)涂層結(jié)合強(qiáng)度為51.0MPa；當(dāng)送粉率在70g/min時(shí)涂層結(jié)合強(qiáng)度為32.0MPa

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)送粉率為20g/min時(shí)結(jié)合強(qiáng)度最大。

3 結(jié) 論

(1)在工藝參數(shù)為噴距340mm、煤油量6L/h、氧氣量1750m3/h、送粉率3g/min、燃燒室壓力7.2MPa、煤油量11.2MPa、燃油壓力7.5MPa的條件下超音速火焰噴涂制備的FeSiBCr涂層在不同工藝參數(shù)對(duì)涂層性能影響度不同，在本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，不同功率、油氧比對(duì)涂層孔隙率影響最大。涂層厚度對(duì)顯微硬度的影響最大。氧氣量對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響最大。

(2)通過(guò)控制變量法測(cè)定了不同的超音速火焰噴涂工藝對(duì)涂層顯微硬度、孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層厚度在0.53mm、煤油量為6.5L/h、氧氣量為1850m3/h時(shí)，涂層擁有最低的孔隙率。當(dāng)涂層厚度為0.61mm、煤油量為6.8L/h、氧氣量為1850m3/h時(shí)涂層擁有最大的顯微硬度。當(dāng)煤油量為6.0L/h時(shí)氧氣含量為1600m3/h、噴涂距離為270mm、送粉率為20g/min時(shí)涂層結(jié)合強(qiáng)度最大。

以上結(jié)論對(duì)超音速火焰噴涂制備Fe及涂層提供了一種方案，以及不同工藝參數(shù)對(duì)該種涂層涂層性能的影響，為繼續(xù)深入研究應(yīng)用于不同領(lǐng)域的Fe基涂層提供了經(jīng)驗(yàn)與參考。