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等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的研究

时间:2013-11-06 09:28:18  来源:江 苏 陶 瓷  作者:张艾丽 米有军 曹毅轩 杨尚权

  摘 要 研究等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的抗热震性能,分析并计算等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层和Al2O3涂层中的残余应力,得出了两种涂层的应力分布,测试了TiO2含量对Al2O3陶瓷涂层性能的影响,检验了影响涂层质量的工艺参数。
  
  
  等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法,是一项重要的表面处理技术,涂层可以对材料表面进行强化和修复,它具有以下特点:①超高温特性,便于进行高熔点材料的喷涂。 ②喷射粒子的速度快,涂层致密,粘结强度高。 ③由于使用惰性气体作为工作气体,所以喷涂材料不易氧化。同时,等离子喷涂技术还可以赋予材料表面特殊的性能,因此得到广泛的应用。 Al2O3又是一种应用较为广泛的陶瓷涂层材料,所以等离子喷涂 Al2O3陶瓷涂层的研究有着极其重要的意义。
  1 等离子喷涂 Al2O3陶瓷涂层性能的研究
  (1)对涂层进行了拉伸实验和抗热震实验。 在涂层的拉伸强度实验中, 采用单一 Al2O3陶瓷涂层和以 FeCrAl 为粘结层的 Al2O3陶瓷涂层两种试样进行拉伸强度测试。 结果表明,有粘结层涂层的结合强度明显高于无粘结层涂层的结合强度。这是由于 FeCrAl 粘结层减缓了金属基体与陶瓷涂层之间热膨胀系数的突变,降低了界面处的热应力,从而提高了层间的结合强度。
  (2)为研究等离子喷涂 Al2O3陶瓷涂层的抗热震性能,对不同结构的涂层进行了 600 ℃环境下的热震实验,并分析、探讨了涂层的热震失效机制, 利用扫描电镜 (SEM)、 拉曼光谱(RFS) 等试验手段研究了热障涂层热震失效的过程及残余应力大小和分布状态, 涂层热震失效的本质为热循环应力作用下的疲劳失效, 其失效过程主要是裂纹形成、 扩展及涂层剥落。 结果表明,在陶瓷工作层与基体间增加 FeCrAl 或 Al 金属过渡层可有效地减缓涂层内的热应力, 阻碍涂层内裂纹的形成及扩展,从而提高涂层的抗热震性能。 Al2O3陶瓷涂层低温下热震失效是由于层间裂纹或层内裂纹引起的。 对于无 Fe-CrAl 粘结层的涂层, 层间裂纹的萌生及迅速扩展而导致涂层自界面剥离、脱落是失效的主要原因;对于有 FeCrAl 粘结层的涂层,陶瓷涂层内的片层间裂纹的萌生、扩展而导致涂层局部剥离、脱落是失效的主要原因。
  (3)采用 ANSYS 有限元分析软件对等离子喷涂 Al2O3陶瓷涂层和Al2O3涂层中的残余应力进行了模拟计算,得出了两种涂层的应力分布。 涂层的残余应力以平行于涂层表面的应力为主。 这样在急冷、急热及冲击等工况条件下,受此残余应力的作用而易产生垂直于涂层表面的裂纹, 从而导致涂层开裂、剥落,涂层失效。 结果表明,Al 层的添加降低了金属基体和涂层结合界面的应力, 缓减了基体和陶瓷涂层之间的应力突变,促进了 Al2O3陶瓷涂层与金属基体之间的结合。因而,AlAl2O3涂层比 Al2O3陶瓷涂层具有更好的结合效果和抗热震性能。
  2 TiO2含量对 Al2O3陶瓷涂层性能的影响
  (1)Al2O3是一种应用较为广泛的陶瓷涂层材料,但其熔点高、喷涂沉积效率较低,加入 TiO2可提高 Al2O3涂层的致密性及喷涂沉积率。 通过对加入 TiO2后 Al2O3涂层的耐磨性进行了试验,结果表明当 TiO2含量为 13%~20%时,涂层的耐磨性最好。
  (2) 通过采用等离子喷涂在 45 钢基体上制备 Ni60A 合金、WC-17%Co 硬质合金和 Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层的喷涂涂层的孔隙率、显微硬度、结合强度的试验,并利用 X 射线衍射和扫描电镜分析了涂层的微观结构和形貌, 比较了几种涂层与 Cr12MoV 钢的耐磨损性能。 同时,还利用 ANSYS 有限元分析软件对涂层的热应力进行了数值计算, 并与梯度涂层进行比较,结果表明:喷涂层为典型的层状结构,与基体的结合主要为机械结合。 Ni60A 涂层的孔隙率最小,结合强度最高,而 WC-Co 的显微硬度最高。喷涂颗粒在形成涂层时发生了较为复杂的相结构转变,这对涂层性能有着重要的影响。在油润滑磨损条件下,涂层的耐磨性都高于 Cr12MoV,其中 WC-Co涂层的耐磨性最好。 Ni60A 为以微切削为特征的磨粒磨损为主,并伴随疲劳剥落。AT13 涂层和 WC-Co 涂层主要磨损机制为轻微的磨粒磨损和粘着转移磨损。 在固定磨粒磨损时,AT13 和 WC-Co 涂层磨损性能好于 Cr12MoV 钢 ,而 Ni60A 涂层比 Cr12MoV 钢稍差。 Cr12MoV 钢和 Ni60A 涂层为犁切式的磨粒磨损,AT13 和 WC—Co 涂层是以涂层微区剥离和脱落为特征的磨粒磨损。 涂层的应力在结合面附近发生突变,WC—Co 和 Ni60A 涂层的最大应力出现在涂层与基体的分界面附近,AT13 涂层的最大应力出现在陶瓷层与底层的分界面处。
  AT13 和 WC-Co 涂层中主要存在着轴向拉应力 ,Ni60A 涂层中主要存在较小的轴向压应力。 梯度涂层在一定程度上可降低残余热应力对涂层的破坏。
  (3)等离子喷涂纳米 Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层的组织结构与抗冲蚀性能。 采用等离子喷涂方法分别制备了常规和纳米Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层,用扫描电子显微镜分析了涂层的显微结构,并对涂层进行了抗冲蚀试验。 结果表明:常规陶瓷涂层具有典型的片层状结构, 但纳米陶瓷涂层片层状结构并不十分明显,且涂层裂纹数量明显减少;纳米陶瓷涂层中的显微结构的变化改善了涂层的韧性和结合性能,在冲蚀过程中,常规陶瓷涂层表面剥落严重, 而纳米陶瓷涂层的冲蚀质量损失较小,抗冲蚀性能比常规陶瓷涂层提高了 30%左右。
  3 影响涂层质量的工艺参数
  (1)等离子气体。 气体选择的原则主要是根据可用性和经济性,N2气便宜,且离子焰热焓高,传热快,利于粉末的加热和熔化, 但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。 Ar气电离电位较低,等离子弧稳定且易于引燃,弧焰较短,适于小件或薄件的喷涂,此外 Ar 气还有很好的保护作用,但 Ar 气的热焓低,价格昂贵。 气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速,从而影响喷涂效率,涂层气孔率和结合力等。 流量过高,则气体会从等离子射流中带走有用的热,并使喷涂粒子的速度升高,减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间,导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状态, 结果是涂层粘接强度、密度和硬度都较差,沉积速率也会显著降低;相反,则会使电弧电压值不适当,并大大降低喷射粒子的速度。极端情况下,会引起喷涂材料过热,造成喷涂材料过度熔化或气化,引起熔融的粉末粒子在喷嘴或粉末喷口聚集,然后以较大球状沉积到涂层中,形成大的空穴。
  (2)电弧的功率。 电弧功率太高,电弧温度升高,更多的气体将转变成为等离子体, 在大功率、 低工作气体流量的情况下,几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流,等粒子火焰温度也很高,这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变,喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良, 此外还可能使喷嘴和电极烧蚀。 而电弧功率太低,则得到部分离子气体和温度较低的等离子火焰,又会引起粒子加热不足,涂层的粘结强度,硬度和沉积效率较低。
  (3)供粉。 供粉速度必须与输入功率相适应,过大会出现生粉(未熔化),导致喷涂效率降低;过低,粉末氧化严重并造成基体过热。 送料位置也会影响涂层结构和喷涂效率,一般来说粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。
  (4)喷涂距离和喷涂角。 喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度, 涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。 喷涂距离过大,粉粒的温度和速度均将下降,结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降;过小,会使基体温度过高,基体和涂层氧化,影响涂层的结合。 在机体温度允许的情况下,喷距适当小些为好。 喷涂角是指焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。 该角小于 45 度时,由于“阴影效应”的影响,涂层结构会恶化形成空穴,导致涂层疏松。
  (5)喷枪与工件的相对运动速度。 喷枪的移动速度应保证涂层平坦,不出现喷涂脊背的痕迹。 也就是说,每个行程的宽度之间应充分搭叠,在满足上述要求前提下,喷涂操作时一般采用较高的喷枪移动速度, 这样可防止产生局部热点和表面氧化。
  (6)基体温度控制。 较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度, 然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施,使其保持原来的温度。
  参 考 文  献  略

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