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冷喷涂技术制备纳米涂层

时间:2013-07-03 08:59:33  来源:兵器材料科学与工程  作者:侯根良,王汉功,杨 晖,苏勋家

  摘 要:在KY)HVO (A) F多功能超音速火焰喷涂的基础上实现了冷喷涂技术。采用该技术在钢基体上制备了二氧化钛纳米涂层。运用XRD、SEM对喷涂用粉末和涂层的显微结构和物相组成进行了观察和确定。结果表明采用冷喷涂技术形成了TiO2纳米涂层。与原始的纳米粉末相比,纳米涂层没有发生相变,晶粒也没有长大。
  关键词:冷喷涂;纳米粉末;纳米涂层
  
  热喷涂技术是把某种固体材料加热到熔融或半熔融状态并高速喷射到基体表面上形成具有希望性能的膜层,从而达到对基体表面改质目的的表面处理技术。由于热喷涂涂层具有特殊的层状结构和若干微小气孔,涂层与底材的结合一般是机械方式,其结合强度较低。在很多情况下,热喷涂可以引起相变、部分元素的分解和挥发[1,2]以及部分元素的氧化[3,4]。冷喷涂技术是相对于热喷涂技术而言,在喷因此,在KY)HVO (A) F多功能超音速火焰~600e),粉末粒子在高速气流的携带下以超高速(500~1 000m/s)撞击基体表面,在整个过程中粒子没有熔化,保持固体状态,粒子发生纯塑性变形聚合形成涂层。冷喷涂技术近年来在俄国、美国、德国等都得到了很快的发展。
  在冷喷涂过程中,由于喷涂温度较低,发生相变的驱动力较小,固体粒子晶粒不易长大,氧化现象很难发生。因而适合于喷涂温度敏感材料如纳米相材料、非晶材料、氧敏感材料(如铜、钛等)、相变敏感材料(如碳化物等)。目前纳米粉末的研究越来越广泛,其颗粒本身较小,在性能上与固体完全不同,展现出许多优于本体结构的新的特有的性质。近年来,纳米涂层制备引起了人们的兴趣。研究表明由于晶粒尺寸效应和大量晶界的存在,纳米涂层具有比传统涂层更优良的性能[5]。表面纳米晶可以使材料表面(和整体)的机械和化学性能得到不同程度的改善[6]。用传统的喷涂方法喷涂到基体表面上会引起其成分、性能与结构的变化;而用冷喷涂将会保留其基本的结构和性质,使得纳米涂层的喷涂能以实现。
  通常的冷喷涂将高压气流分为两部分,一部分经电阻加热后进入喷管;另一部分加热后携带纳米颗粒进入喷管,在喷管中定位并加速后喷向基体,在基体表面上堆积而形成涂层。用这种方法已成功喷涂了钛、铜、铁等易氧化涂层[7-9],但是该方法的应用范围较窄、耗能大、不易实现与其它喷涂的对接。
  1 冷喷涂技术的实现
  KY)HVO (A) F多功能超音速火焰喷涂的基本原理是:控制系统将煤油与助燃剂(氧气、压缩空气、氧气与压缩空气混合物)以一定的流量输送到喷枪,经雾化混合后喷入喷枪燃烧室,可燃气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的气流,通过拉瓦尔喷嘴的低压区送到超音速焰流中,经射流加温加热后从喷枪喷出,高速喷向工件形成涂层。通过调节进入喷枪的煤油、助燃剂(氧气、压缩空气、氧气与压缩空气混合物)的流量来调节焰流的速度和温度,从而控制喷涂粉末的加速和加热,制备高性能涂层。喷枪焰流速度与温度变化的范围为:焰流速度1 040 ~ 2 250 m/s,焰流温度为640 ~2 664e,而且在此范围内连续可调[10]。
  纳米粒子要直接用于喷涂,需要解决两个问题[11]:一是质量太小不能直接喷涂;二是喷涂过程中怎样保证不烧结。将TiO2纳米粉末包覆后作成水溶液,在高压下将溶液注入喷枪中,可以解决第一个问题。利用KY)HVO (A) F多功能超音速火焰喷涂焰流速度与温度的连续可调,可以解决第二个问题。
  因此,在KY)HVO (A) F多功能超音速火焰喷涂的基础上,将纳米溶液在高压气体的作用下注入喷枪,水起到降低气流温度的作用,在喷涂过程中水受热蒸发掉。纳米粒子在较低温度下高速冲向基体,与基体相互作用形成涂层。通过控制焰流速度与温度就实现了冷喷涂(即喷涂过程中粒子不发生熔化),从而进行纳米涂层的制备。
  2 冷喷涂制备TiO2纳米涂层
  利用以上原理进行了TiO2纳米涂层的制备。喷涂参数:空气压力: 7MPa,煤油流量: 10kg/h,溶液压力: 4MPa,喷涂距离: 10cm。基体材料为45#钢。喷涂前对基体材料进行常规超声清洗及喷砂处理,去除油污和增加基体表面粗糙度,提高涂层与基体的结合强度。
  用JSM5800扫描电子显微镜(SEM)测定喷涂用粉末和所制备涂层的颗粒大小形貌;用日本理学D/max-3C自动X衍射仪(XRD)观察和确定相结构,采用Cu靶KA线,管压40kV,管流40mA。衍射束用石墨晶体单色器。狭缝DS、RS、SS分别为1度、013mm、1度。
  图1为喷涂用TiO2纳米粉末的X射线衍射图谱。由图1可知,各个衍射峰较宽,纳米粉末由锐钛矿TiO2组成。图2为喷涂后涂层的X射线衍射图谱。由图2可知,涂层中含有锐钛矿TiO2纳米相和A-Fe相,这是X射线穿透涂层的缘故,说明纳米涂层很薄,具体厚度有待于进一步测定。
  图3为纳米TiO2粉末的SEM形貌,可见经过包覆后TiO2纳米粉末易于团聚,表面形貌为多个晶粒的聚合体,聚合体的尺寸在200~500nm之间。经过冷喷涂后的涂层SEM形貌见图4,涂层大部分是由尺寸分布在30~100nm之间、晶粒发育良好的球形晶粒组成。与图3相比较,可见涂层晶界明显比粉末颗粒清晰,表明纳米TiO2粉末经冷喷涂后分散较为均匀。在喷涂过程中溶液中的水受热蒸发掉不会残存于涂层中。冷喷涂过程中粉末溶液在喷枪中的停留的时间很短,而且冷却速度又很大,在较短的时间内晶粒难于长大,因此形成了纳米涂层。
  3 结束语
  在KY)HVO (A) F多功能超音速火焰喷涂的基础上实现了冷喷涂技术。采用该技术在钢基体上制备了二氧化钛纳米涂层。涂层大部分是由尺寸分布在30~100nm之间、晶粒发育良好的球形晶粒组成。在喷涂过程中溶液中的水受热蒸发掉不会残存于涂层中。冷喷涂过程中粉末溶液在喷枪中的停留的时间很短,而且冷却速度又很大,在较短的时间内晶粒难于长大,因此形成了纳米涂层。
  参考文献略
  
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