1、2012年6月材料開發(fā)與應(yīng)用文章編號:1003-1545(201203-0023-05等離子噴涂氧化鋁涂層界面狀態(tài)和結(jié)合性能的研究王國陽,李利,武笑宇(中國船舶重工集團(tuán)公司等七二五研究所,河南洛陽471023摘要:采用相同的等離子噴涂工藝參數(shù)對TC4鈦合金、45鋼、6061鋁合金和純銅等不同基材進(jìn)行了等離子噴涂工藝試驗(yàn)。利用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察了涂層組織的界面結(jié)合狀態(tài),測試了不同基材上涂層的結(jié)合強(qiáng)度,分析了基材性質(zhì)不同對涂層殘余應(yīng)力、界面組織狀態(tài)和結(jié)合強(qiáng)度性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:基材的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物性參數(shù)直接影響涂層的殘余應(yīng)力和界面結(jié)合狀態(tài),進(jìn)而影響到涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)

2、度,針對不同的基材制定不同的噴涂工藝是改善涂層界面結(jié)合性能的重要途徑。關(guān)鍵詞:等離子噴涂;基材;界面;殘余應(yīng)力;結(jié)合強(qiáng)度中圖分類號:TG 174451文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A收稿日期:20111014等離子噴涂是把金屬或陶瓷粉末送入高溫的等離子弧焰流,將粉末粒子加熱至熔融或半熔融狀態(tài)并以高速率、高動(dòng)能撞擊在工件表面,通過碰撞變形鋪展、快速冷卻并凝固沉積而形成涂層的一種表面改性技術(shù)。作為重要的熱噴涂技術(shù)之一,等離子噴涂是近年來研究最多、發(fā)展最快的一種熱噴涂技術(shù)。由于等離子焰流具有高溫和高速的特點(diǎn),特別適用于噴涂難熔的陶瓷涂層。等離子噴涂陶瓷涂層技術(shù)能有效地把金屬材料的強(qiáng)韌性、可加工性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性等和陶瓷的

3、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣等特點(diǎn)結(jié)合起來,同時(shí)滿足機(jī)械產(chǎn)品對結(jié)構(gòu)性能(強(qiáng)度、韌性等和環(huán)境性能(耐磨、耐蝕、耐高溫、電絕緣等的需求,獲得相當(dāng)理想的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。但是等離子噴涂涂層工件的一個(gè)突出問題,是在服役過程中容易發(fā)生分層剝離、裂紋、脹起等失效,這不僅與涂層/基材的界面狀態(tài)有關(guān),還與殘余應(yīng)力密切相關(guān)。涂層的界面狀態(tài)和殘余應(yīng)力直接影響著涂層的結(jié)合強(qiáng)度,與涂層材料(類型、性質(zhì)、涂層結(jié)構(gòu)、噴涂工藝(噴砂、預(yù)熱、工藝參數(shù)等、基材(形狀、尺寸、物性參數(shù)等等諸多因素有關(guān),目前國內(nèi)主要集中于對各種噴涂材料的噴涂工藝及涂層性能的研究,本文研究了相同噴涂工藝下基材類型對氧化鋁陶瓷涂層界面狀態(tài)、殘余應(yīng)力以及結(jié)

4、合強(qiáng)度性能的影響規(guī)律,這對改善涂層質(zhì)量,提高涂層使用壽命具有實(shí)際意義。1試驗(yàn)方法1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備試驗(yàn)分別采用TC4鈦合金、45鋼、6061鋁合金和純銅作為制備等離子涂層的基體材料。涂層界面狀態(tài)觀察的金相試樣尺寸為15mm 15mm 30mm ,在試樣15mm 30mm 的端面噴涂涂層。涂層結(jié)合強(qiáng)度的測定按照GB8642-2002進(jìn)行,拉伸試樣同樣分別選用TC4鈦合金、45鋼、6061鋁合金和純銅四種基材,尺寸為 40mm 80mm ,每種基材制備三個(gè)拉伸試樣。將同樣尺寸的45鋼對偶拉頭端面噴砂粗化后,與拉伸試樣的涂層面之間用上海樹脂研究所生產(chǎn)的E-7樹脂膠粘結(jié),要確保試樣與拉頭對中良好,然

5、后按照1003h 的固化工藝把對偶試樣粘結(jié)牢固。為改善等離子噴涂涂層與基材的熱匹配性,涂層由金屬Ni20Cr 粘結(jié)層和純氧化鋁陶瓷面層組成。Ni20Cr 粉末粒度為45-74m ,其化學(xué)成分見表1。氧化鋁(99%Al 2O 3粉末為常規(guī)微米級陶瓷粉末,粒度為20-40m 。表1Ni20Cr 粉末的主要化學(xué)成分(w %Ni Cr Si Fe 78-8218-220.91.032材料開發(fā)與應(yīng)用2012年6月等離子噴涂在普萊克斯公司生產(chǎn)的3710型等離子噴涂系統(tǒng)上進(jìn)行,使用SG100型噴槍,送粉方式為內(nèi)送粉。拉伸試驗(yàn)在INSTRON-5587型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,將固化后的對偶試樣在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上拉

6、伸,直至斷裂。涂層的界面狀態(tài)觀察分別采用OLYMPUS GX71型金相顯微鏡和和Quanta 600型掃描電鏡。1.2試樣制備四種基材的試樣同時(shí)固定在噴涂工裝上使用相同的噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行等離子噴涂。噴涂前對試樣的噴涂面使用丙酮清洗并進(jìn)行噴砂處理,噴砂采用箱式噴砂機(jī),使用粒度為12-22目的棕剛玉砂。然后依次進(jìn)行預(yù)熱、粘結(jié)層和陶瓷面層的噴涂。其中粘結(jié)層厚度控制在0.10-0.15mm 之間,陶瓷面層厚度為0.20-0.25mm 。采用間歇噴涂法,主氣和載氣使用氬氣,輔氣為氫氣,噴涂的主要工藝參數(shù)見表2。表2等離子噴涂工藝參數(shù)涂層類型電壓/V 電流/A 噴距/mm 主氣流量/(L min 1送粉速

7、率/(g min 1粘結(jié)層4070011032.217.3陶瓷層508009038.626.52結(jié)果與討論2.1四種基材/涂層之間界面金相組織圖1分別是TC4鈦合金、45鋼、6061鋁合金和純銅基材上涂層界面結(jié)合狀態(tài)的金相組織。 圖1四種基材/涂層之間界面的金相組織從圖1可以看出,采用完全相同噴涂工藝四種基材的粘結(jié)層與陶瓷層之間界面結(jié)合緊密,未出現(xiàn)縫隙和孔洞。但粘結(jié)層與基材之間的涂層界面結(jié)合狀態(tài)則存在明顯差異。具體來說,TC4鈦合金、45鋼和6061鋁合金的粘結(jié)層與基體界面存在極少量細(xì)小的孔洞和縫隙且不連續(xù),但純銅基材的粘結(jié)層與基體界面分布著較大的孔洞和狹長的裂紋,甚至存在明顯的層間裂紋,其界

8、面較為平直。顯然,四種基材的粘結(jié)層與基材界面結(jié)合狀態(tài)好壞的順序?yàn)?TC4鈦合金45鋼6061鋁合金純銅,界面結(jié)合狀態(tài)的好壞將直接影響著涂層的界面結(jié)合力大小。2.2四種基材/涂層之間界面掃描電鏡組織圖2分別是TC4鈦合金、45鋼、6061鋁合金42第27卷第3期王國陽等:等離子噴涂氧化鋁涂層界面狀態(tài)和結(jié)合性能的研究和純銅基材上涂層界面結(jié)合狀態(tài)的界面掃描電鏡組織。 圖2四種基材/涂層之間界面的掃描電鏡觀察從圖2可以看出,采用完全相同噴涂工藝四種基材的粘結(jié)層與基材之間沒有熔合的區(qū)域,結(jié)合形式主要是機(jī)械結(jié)合,即相互咬合在一起。但不同類型基材與涂層的咬合形態(tài)存在較大差異,TC4鈦合金與涂層的界面雖有極細(xì)

9、小的縫隙,但界面整體呈凸凹咬合形態(tài), 45鋼和6061鋁合金與涂層的界面結(jié)合緊密但較為平直,個(gè)別地方有較深的嵌合,純銅與涂層的界面結(jié)合則呈現(xiàn)破碎狀,極為松散。顯然,四種基材的粘結(jié)層與基材界面機(jī)械結(jié)合形態(tài)好壞的順序?yàn)?TC4鈦合金45鋼6061鋁合金純銅。2.3四種基材上涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度表3是四種基材上涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度測表3四種基材上涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度基材涂層類型層厚/結(jié)合強(qiáng)度/MPa TC4鈦合金35.745鋼Ni20Cr +Al 2O 30.30-0.4031.36061鋁合金24.3純銅12.7試結(jié)果。顯然,相同的噴涂工藝下,四種基材的涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度存在較大的差異,結(jié)合強(qiáng)度性能與涂層

10、界面結(jié)合狀態(tài)的好壞基本一致。圖3是純銅基材拉伸試樣拉開后斷口的宏觀形貌,可以看出,金屬粘結(jié)層被完全從基材上拉脫,即斷裂發(fā)生在粘結(jié)層與基材之間的界面上,其他幾種基材涂層的斷裂情況也是如此。這說明涂層界面處存在較大的殘余應(yīng)力。圖3純銅拉伸試樣的拉脫斷口宏觀形貌52材料開發(fā)與應(yīng)用2012年6月2.4基材物性參數(shù)與涂層殘余應(yīng)力、界面結(jié)合狀態(tài)和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系從前述的試驗(yàn)結(jié)果來看,在固定噴涂工藝、涂層類型和結(jié)構(gòu)的情況下,改變基材類型直接導(dǎo)致涂層的界面結(jié)合狀態(tài)和結(jié)合強(qiáng)度性能存在顯著的差異,這應(yīng)該是由于不同基材的物性參數(shù)差異較大,進(jìn)而引起涂層中殘余應(yīng)力大小不一和界面結(jié)合形態(tài)各異,最終導(dǎo)致涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度

11、性能也存在較大的差異。殘余應(yīng)力是存在于外載作用和外界約束的自然狀態(tài)物體中的自平衡內(nèi)應(yīng)力。在等離子噴涂涂層形成過程中,由于基體材料與涂層的熱物性、力學(xué)性能參數(shù)差異以及高溫急冷急熱等原因,不可避免地會形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的主要成因可歸納為如下幾個(gè)方面:(1淬火應(yīng)力噴涂沉積過程中,熔滴與基體碰撞變形后形成的激冷薄片從熔點(diǎn)溫度冷卻到基體溫度時(shí)發(fā)生的相變和狀態(tài)變化所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。從理論上推算,淬火應(yīng)力的最大值為:0=d(T mdT sE0淬火應(yīng)力主要與涂層材料的熱膨脹系數(shù)d、熔點(diǎn)溫度T md和彈性模量E0有關(guān),顯然淬火應(yīng)力始終是拉應(yīng)力,實(shí)際的淬火應(yīng)力往往遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值。(2熱失配應(yīng)力熱失配應(yīng)力是涂

12、層熔滴驟冷、基材升溫和噴涂結(jié)束冷卻到室溫的過程中由于涂層與基體熱膨脹系數(shù)的差異而引起的,其理論計(jì)算值為:th=E c(s-cT其中,E c是涂層材料的彈性模量,s和c 分別是基材和涂層的熱膨脹系數(shù)。顯然,當(dāng)基材熱膨脹系數(shù)越小,熱失配應(yīng)力就越小,當(dāng)sc 時(shí),甚至?xí)a(chǎn)生有利于涂層結(jié)合的壓應(yīng)力。表4是四種基材熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的值。由表4可以看出,純銅的導(dǎo)熱系數(shù)最大,因而熔滴沉積瞬間傳遞給基材的熱量最快,同時(shí)其比熱容最小,因此造成對應(yīng)基材的溫升最高(T,加上其熱膨脹系數(shù)s較大,因而產(chǎn)生的熱失配應(yīng)力最大;6061鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅次于純銅,但其比熱容最大,導(dǎo)致其基材升溫較小(T,抵消了其熱膨

13、脹系數(shù)最大對熱失配應(yīng)力的不利影響,綜合起來6061鋁合金上涂層的熱失配應(yīng)力應(yīng)小于純銅且高于45鋼和TC4鈦合金。表4基材的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容(20基材熱膨脹系數(shù)/(1061導(dǎo)熱系數(shù)/(Wm1K1比熱容C/(KJkg1k1 TC4鈦合金7.9 5.440.678 45鋼11.7648.20.466061鋁合金23.6136.30.88純銅17.5376.80.39四種基材的界面結(jié)合狀態(tài)也與其熱物性參數(shù)密切相關(guān)。由于純銅基材的導(dǎo)熱系數(shù)最大,熱膨脹系數(shù)較大且比熱容最小,熔滴在碰撞鋪展第一層時(shí),瞬間傳遞的熱量導(dǎo)致純銅基材的升溫最高,純銅上涂層界面產(chǎn)生的熱膨脹量最大,進(jìn)而導(dǎo)致噴涂粉末熔化后鋪展

14、性不好,涂層界面出現(xiàn)較多的大型孔洞,也彌散分布著一些噴涂粒子熔化時(shí)所帶入氣體造成的微孔,甚至因界面過熱而存在明顯的層間裂紋。由于四種基材熱物性參數(shù)的差異,根據(jù)熱失配應(yīng)力的計(jì)算公式,熱膨脹系數(shù)s和溫度變化T越小,涂層熱失配應(yīng)力也就越小,對應(yīng)的涂層殘余應(yīng)力也就越小;涂層界面的熱膨脹量越小,涂層的界面結(jié)合狀態(tài)也就越好。綜合起來,涂層的殘余應(yīng)力越小,界面結(jié)合狀態(tài)越好,涂層的結(jié)合強(qiáng)度性能也就越好。這也與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果相一致。3結(jié)論(1采用相同的等離子噴涂工藝,不同基材上氧化鋁涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度大小順序?yàn)門C4鈦合金45鋼6061鋁純銅;(2相同噴涂條件下,基材的熱膨脹系數(shù)和62第27卷第3期王國陽等:等離

15、子噴涂氧化鋁涂層界面狀態(tài)和結(jié)合性能的研究導(dǎo)熱系數(shù)越小,比熱容越大,則涂層與基材界面的結(jié)合狀態(tài)就越好,涂層中的熱失配應(yīng)力就越小,涂層的結(jié)合強(qiáng)度性能也就越好;(3為提高等離子噴涂涂層的使用性能,避免發(fā)生涂層分層、剝落等失效現(xiàn)象,針對不同的基材制定不同的噴涂工藝是改善涂層界面結(jié)合性能的重要途徑。參考文獻(xiàn):1黎樵黎,等.金屬表面熱噴涂技術(shù)M .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:550.2姜煒,等.熱噴涂層殘余應(yīng)力的來源及失效形式J .金屬熱處理,2007,32(1:25-27.3李東飛,等.金屬基低壓等離子噴涂界面的結(jié)合性能及微結(jié)構(gòu)研究J .稀有金屬,2001,25(4:35-39.4李延平,等.熱噴涂

16、涂層和基體中殘余應(yīng)力預(yù)報(bào)和控制研究J .工程力學(xué),2005,22(5:237-231.5路學(xué)成,等.等離子噴涂陶瓷涂層的界面研究J 陶瓷學(xué)報(bào).2009,30(1:117-122.6文赫巖,等.噴涂的殘余應(yīng)力分析J 煤礦機(jī)械.2005,6(1:47-48.7邵貝羚,等.超音速噴涂界面的微結(jié)構(gòu)與界面結(jié)合強(qiáng)度J .電子顯微學(xué)報(bào),1997,16(3:271-276.8伍超群,等.銅基體上超音速火焰噴涂鎳基涂層殘余應(yīng)力分析J .焊接,2006,35(19:35-37.9段忠清,等.等離子噴涂NiCrAl 粘結(jié)涂層工藝優(yōu)化研究J .新技術(shù)新工藝,2008,5(1:80-82.Research on Int

17、erface State and Bonding Strength ofPlasma Sprayed Alumina Oxide Coating WANG Guo-yang ,LI Li ,WU Xiao-yu(Luoyang Ship Materials Research Institute ,Luoyang 471023,China Abstract :Plasma spraying process experiments on different subsracts ,in cluding TC4titanium alloy ,45steel ,6061aluminium alloy a

18、nd fine copper ,were conducted at same process parameters.The interface morphology between coats and substrate was observed under metallographic microscope and scanning electron microscope.The bonding strength between coats and substracte was also detected.The effects of the substract character on the residual stress ,the interface bonding state and bonding