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等离子喷钼涂层结合强度与厚度的关系

时间:2013-12-10 07:54:31  来源:东方电机  作者:王华仁 徐庆志

  摘 要 本文采用经验优化工艺等离子喷涂不同厚度的钼涂层并试验了涂层的结合强度,结果证明,随着涂层厚度的增加,其结合强度明显降低。
  关键词 等离子喷涂 钼涂层 涂层厚度 结合强度
  
  1 引 言
  等离子喷涂技术是近年迅猛发展起来的一种新型多用途的表面喷涂方法,已广泛应用于航空航天、石油化工、机械电子、海洋、核能等高技术领域。涂层的结合强度是决定喷涂成败的关键性能指标,在热喷涂涂层的应用中起着至关重要的作用。因此,提高涂层结合强度已经成为热喷涂行业研究的重点。本文就等离子喷涂不同厚度的钼涂层的结合强度进行了试验研究,以探索其涂层的结合强度与厚度的变化规律。
  2 等离子喷涂技术
  2.1 等离子喷涂概述
  等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源,将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态,并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术,可以使基体表面具有耐磨抗划伤、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子喷涂亦有用于医疗领域,在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层,作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法。
  等离子喷涂就是在阴极和阳极之间产生一直流电弧。该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷嘴喷出形成等离子焰。热喷涂粉末由送粉气体送入等离子射流后被熔化并加速,喷射到已经预处理过的基体材料表面形成涂层。它的特点是:喷涂材料范围广,可以制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层及其它特殊功能涂层;涂层结合强度高,气孔率低;惰性气体等离子射流有保护气氛,加氢的射流有还原气氛,避免或减少了喷涂粒子的氧化。缺点是,设备较贵,一次性投资较大,它主要用于制备质量要求高的耐蚀.耐磨,隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层。
  2.2 等离子的形成
  以 N2为例:0 °k 时,N2分子的两个原子呈哑铃形,仅在x,y,z方向上平动;大于 10 °k时,开始旋转运动;大于 10000 °k 时,原子间产生振动,分子与分子间碰撞,则分子会发生离解变为单原子:N2Ud——N+N其中,Ud为离解能。
  温度再升高,原子会发生电离:N+Ui——N++e其中,Ui为电离能。
  气体电离后,在空间不仅有原子,还有正离子和与其相等的自由电子,这种状态就叫等离子体。
  等离子体可分为三大类:
  (1) 高温高压等离子体,电离度 100%,温度可达几亿度,主要用于核聚变的研究。
  (2) 低温低压等离子体,电离度不足 1%,温度仅为 50℃~ 250℃。
  (3) 高温低压等离子体,约有 1%以上的气体被电离,具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡,等离子喷涂、等离子喷焊、等离子切割,等离子弧焊接,等离子弧冶炼等所利用的正是这类等离子体。
  2.3 等离子喷涂工艺
  在等离子喷涂过程中,影响涂层质量的工艺参数很多,主要有等离子气体、电弧功率、送粉速度等。
  2.3.1 等离子气体
  气体的选择原则主要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。所以,等离子喷涂一般采用 Ar 气为主气并加 H2气或者 N2气作为次气的混合气体以发挥各自的优点。
  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,则会影响电弧电压的稳定,并大大降低喷射粒子的速度。极端情况下会引起过热,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。
  2.3.2 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离子流,等离子火焰温度也很高,这可能使一些喷涂材料气化挥发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,又会引起粉末粒子加热不足,涂层的粘结强度,硬度和沉积效率较低。
  2.3.3 送粉速度
  送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,并可能造成基体过热。送粉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更好的加热和更高的速度并获得更佳的性能。
  2.3.4 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、喷涂效率都会明显下降,气孔增多;过小,会使基体温升过高,基体和涂层氧化,影响涂层的结合。一般情况下,在基体温升允许的条件下,喷距适当小些为好。
  喷涂角指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。该角小于 45℃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。一般情况下以 90℃为宜。
  2.3.5 喷枪与工件的相对运动速度
  喷枪的移动速度应保证涂层厚度均匀平坦,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。
  2.3.6 基体温度控制
  一般情况下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。喷涂过程中要随时注意基体温度,应采用断续喷涂方法来避免温度过高。
  3 等离子喷涂不同厚度钼涂层结合强度试验
  3.1 试验方法
  选用汽轮发电机转子常用材料25Cr2Ni4MoV作为等离子喷涂试样的基体材料,试样的尺寸以及试验方法等均按照国家标准 GB/T 8642—2002(ISO14916:1999,MOD)《热喷涂层结合强度的测定》进行。喷涂用粉末为SulzerMetco63NS粉,Mo含量为 99.96%,粉末的粒度分布为:+ 90 m:0%;+ 75 m:6.2%; + 45 m:84.6%;- 90 m:100%;- 90 m:93.8%;- 90 m:15.4%。
  喷涂设备为SulzerMetco9M型等离子喷涂系统。
  喷涂层厚度分别选取0.35mm、0.55mm、0.75mm和0.95mm。
  喷涂工艺参数为:
  电压:60V ~ 65V;
  电流:500A ~ 600A;
  主气:氩气,压力0.55MPa,流量38~45L/min;
  次气:氢气,压力 0.3MPa,流量 8 ~ 15L/min;
  送粉气:氩气,压力0.5MPa,流量3~6L/min;
  送粉率: 45 ~ 75g/min。
  喷涂线速度: 500 ~ 900mm/s,喷束叠加: 3 ~ 6mm。
  3.2 试验结果及分析
  分别对四种不同厚度的等离子喷钼涂层进行了结合强度试验,试验结果见下表。对 0.35mm 和 0.75mm 厚度的钼涂层进行的SEM 分析见下图 1 和图 2 所示。涂层结合强度试验结果可以看出,随着等离子喷涂涂层厚度的增加,其结合强度明显降低:当钼涂层厚0.35mm时,其平均结合强度高达57.1MPa;当钼涂层厚 0.55mm 时,其平均结合强度仍高达47.0MPa;而当钼涂层厚度增加到 0.75mm 时,其平均结合强度降低到 41.5MPa;当钼涂层厚度达到0.95mm 时,其平均结合强度仅为 33.5MPa。分析认为,这是由于随着涂层厚度的增加,意味着其喷涂次数的增加,相当于对涂层进行冷热冲击的次数增加,从而大大地降低了涂层与基体之间的结合力;再加之涂层与基体材料的热膨胀系数相差较大,使得涂层的内应力集聚,从而导致结合强度的进一步降低。
  从两种不同厚度钼涂层的SEM照片也可以看出,0.35mm 涂层明显比 0.75mm 涂层致密而且与基体结合得更好。
  从试验结果可以看出,涂层设计(特别是涂层厚度的选取)在热喷涂涂层应用中起着重要的作用,选择不同的涂层材料可以满足对涂层不同的功能要求,但涂层应用的成败还与涂层与基体的结合强度有着十分重要的关系,所以选取适当的涂层厚度可以保证涂层与基体之间具有足够的结合强度,才能达到实际使用的要求。
  5 结 论
  经过对四种不同厚度的等离子喷钼涂层进行的结合强度试验结果表明,随着涂层厚度的增加,其结合强度明显降低,这是涂层设计中必须考虑的关系到涂层应用成败的关键要素。
  

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