等离子喷涂工艺参数对铁基非晶合金涂层

等离子喷涂工艺参数对铁基非晶合金涂层 如果您需要更多可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 等离子喷涂工艺参数对铁基非晶合金涂层 相成分和显微结构的探讨 1,21,21,2崔崇，叶福兴，魏海宏 (1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072; 2. 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072) 摘要:通过等离子 喷涂技术在 Q235 基体上制备了一种 Fe 基非晶涂层。该涂层结构均匀致 密，主要含有具有 Fe、Cr、B、Si、Ni、Mo 和 W。通过合理安排实验，分别研究了等 离子喷涂电压、电 流、喷涂距离对涂层的孔隙率、微观组织结构的影响规律。在等离子输入 功率一定时，采用 较高的喷涂电压将获得孔隙率更低的 Fe 基涂层;涂层孔隙率分别随等离 子输入功率和喷涂 距离的增加，均呈先降低后升高的趋势。等离子输入功率为 30.25KW 时， 所制备的 Fe 基涂 层孔隙率为 1.19%，显微硬度为 717HV0.1。 关键词: 材料加工工程;等离子喷涂;非晶态合金;孔隙;显微硬度 中图分类号:TG174.4 Study of the influences of APS Parameters On the Phase Compositions and Microstructures of Fe-based Amorphous Alloy Coatings 1,21,21,2CUI Chong, YE Fuxing, WEI Haihong (1. School of Material Science and Engineering Tianjin University, Tianjin 300072; 2. Tianjin Key laboratory of Advanced Joining, Tianjin 300072) Abstract: A Fe-based amorphous alloy coating was deposited onto Q235 substrate through air plasma spraying technology (APS). The coating was highly amorphous and contained Fe, Cr, B, Si, Ni, Mo and W. It exhibited a relatively low porosity of about 1.12% and a high microhardness of 717 HV0.1. The influence rules of the plasma arc voltage, arc current and spraying distance on the porosity and microstructure of the coating were studied through proper arrangement of the APS experiments. It was discovered that a higher plasma arc voltage would benefit to get a lower porosity when the plasma power was determined. The porosity exhibited a parabolic relationship with both of the increase of plasma arc power and the spraying distance. Key words: material processing engineering; plasma spray; amorphous alloy; porosity; microhardness 0 引言 热喷涂层具有典型的层状结构，其粒子与粒子之间的搭接，层与层之间的搭接以及不同 类型的孔洞在涂层中的分布等的微观组织特点，将赋予涂层特定的宏观性能。等离子喷涂工 [1]艺参数较多，对涂层的组织结构有着复杂的影响。姜超平通过研究得出等离子喷涂功率越 [2]高，Fe 基涂层非晶含量越少的结论;殷秀银等研究得出 FeCrBSi 涂层与 Q235 基体结合强 [3]度最大的等离子工艺参数;黄晨光等通过数值模拟的方法研究了等离子喷涂工艺参数与涂 [4-5]层细观结构的联系。刘洛夫等通过正交实验研究了等离子喷涂参数对 Fe 基非晶涂层性能 的影响。本文通过合理安排实验方案，分别对电流、电压和喷涂距离这三个主要参数对 Fe 基非晶涂层微观组织结构的影响规律进行更加细致深入的研究。 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(编号:20070056097);国家自然科学基金(编 号:50805104);天津市应用基础研究(编号:07JCYBJC18200) 作者简介:崔崇(1984-)，男，博士研究生，主要研究热喷涂制备非晶态合金涂层 通信联系人:叶福兴(1974-)，男，教授，主要研究热喷涂、焊接、块体金属玻璃材料. E-mail: yefx@tju.edu.cn 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 1 实验材料及方法 1.1 喷涂粉末与设备 本实验采用的粉末标称化学成分如表 1 所示。具有大原子半径差的多组元合金系有利于 形成非晶态的涂层。由图 1 可知该粉末微观形貌为近似椭球状，粒度为 10-45μm，由于粉末 颗粒表面积大，使其受热充分，在较低的喷涂功率下，能达到更好的熔融效果。 表 1 Fe 基粉末标称化学成份 Table1 the chemical composition of the Fe-based feedstock powder W Cr Ni Mo Si B Fe 化学成分 8~10 4~6 3 3 3~5 3~5 含量(wt.%) 余量 图 1 Fe 基粉末微观形貌 Fig.1 the micrograph of Fe-based feedstock powder 本实验采用的等离子喷涂设备为 APS-2000 型 80KW 级高能等离子喷涂系统。喷涂基体 为 50×50×4mm 的 Q235 钢板，在经喷砂粗化处理后的基体表面进行等离子喷涂实验。喷涂 过程中用压缩空气对基体表面进行连续冷却。 1.2 喷涂工艺与分析测试方法 选择电流、电压和喷涂距离为影响因素，每个因素选取 5 个水平，采取固定两个因素， 改变另一个因素的方案进行实验，如表 2 所示。在实验过程中拍摄不同喷涂参数下等离子弧 的外观照片。 采用 OLYMPUS GX51 大型卧式金相显微镜观察涂层断面微观组织，并利用 PhotoShop 软件计算涂层孔隙率;通过 MHV2000 型数字显微硬度仪测定涂层的显微硬度;通过 PhilipsX 'PertM PD 型 X 射线衍射仪测定涂层物相组成。 表 2 Fe 基非晶涂层的等离子喷涂实验方案 Table2 the experimental schedule of Fe-based amorphous alloy coating deposited by APS 喷涂电流(A) 喷涂电压(V) 喷涂距离(mm) 试验编号 1 450 55 110 2 500 55 110 3 550 55 110 4 600 55 110 5 650 55 110 6 550 45 110 7 550 50 110 8 550 60 110 9 550 65 110 10 550 55 90 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 11 550 55 100 12 550 55 120 13 550 55 130 2 实验结果及分析 2.1 Fe 基非晶涂层的物相组成 图 2 Fe 基非晶粉末与 APS 工艺制备的 Fe 基非晶涂层的 XRD 图谱 Fig.2 the XRD patterns of the Fe-based feedstock powder and the coatings deposited by APS 图 2 为等离子喷涂工艺制备的 Fe 基非晶涂层的 XRD 图谱，可见涂层与喷涂粉末基本 为非晶结构，经过等离子喷涂过程后，α-Fe 的析出使涂层的非晶含量有所降低。 2.2 等离子喷涂工艺对涂层中的孔隙的影响 图 3 显示了涂层孔隙率分别随输入功率增加和喷涂距离增加而发生变化的趋势。经数学 一步求得输入功率为 31KW，喷涂距离为 拟合之后得到图中红线所表示的二次数曲线。进 107mm 时，可以获得最低的涂层孔隙率。 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 图 3 等离子喷涂工艺参数对涂层孔隙率的影响 Fig.3 Influence of the APS parameters on the porosity of the Fe-based amorphous alloy coatings 在低功率(图 4(a))下，粒子未熔化或熔化不充分，达不到喷涂所的熔化状态，这种 高温硬质粒子在与基体碰撞时，被大量熔融碰撞粒子包围，成为镶嵌在变形涂层中的未熔颗 粒，或者从基体表面发生碰撞反弹，影响后继熔融粒子的碰撞，此时涂层与基体表面的粘结 和粒子之间的粘结都将被严重弱化，不能形成组织致密的涂层，涂层的孔隙率很高。随喷涂 功率逐渐增加(图 4(b))，一方面等离子弧热焓逐渐增加，等离子焰流速也逐渐增加，粉末熔 化情况变好，熔融的液滴表面张力减小，冲击力增大，另一方面高功率能够让工作气体更加 剧烈、快速的膨胀，进而等离子焰流获得较大的速度，带动喷涂粉末以高速碰撞基体形成低 孔隙率的涂层。但也并不是功率越高越好，在功率高于 31w 时熔融的液滴表面张力进一步 减小，冲击力也进一步增大，撞击到基体表面发生飞溅，使涂层孔隙率反而有增大的趋势(图 4(c))。 图 4 不同等离子输入功率时 Fe 基非晶涂层的断面微观组织((a)24.75KW, (b)30.25KW, (c)35.75KW) Fig.4 cross-section microstructure of the Fe-based amorphous alloy coatings prepared at different plasma power ((a) 24.75KW, (b) 30.25KW, (c) 35.75KW) 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 [6]根据李长久教授等的研究。涂层中的孔隙按照形状的不同分为三类:大气孔、涂层内 粒子层间未结合区域、扁平粒子内部垂直涂层方向的裂纹。图 5 显示了本次实验所观察到的 裂纹种类，其中的颗粒内部垂直孔隙是由于未熔化的粒子以极高速度撞击已有涂层时，产生 了开裂。 大气孔是由于熔融液滴在基体或已形成的涂层表面的不完全填充和浸润，以及未完全熔 化粒子不充分扁平化形成的边界处的孔隙所形成的。涂层的形成过程决定了涂层具有层状结 [7]构，涂层内粒子层间未结合区域是由于气体卷入、沉积表面的低温状态和熔滴与沉积表面 [8]之间接触时间短所致。扁平粒子内部垂直裂纹是由于粒子冷却过程中急冷所致。 图 5 等离子喷涂制备的 Fe 基非晶涂层中的孔隙 Fig.5 pores in the Fe-based amorphous alloy coatings prepared by APS 如图 6 所示，等离子输入功率一定的条件下，采用较高的喷涂电压时，能获得孔隙率更 低的 Fe 基涂层。并且喷涂电压升高值增大，涂层孔隙率的降低愈显著。这一点可以由实验 过程中拍摄到的等离子弧外观照片得到解释。如图 7 所示，等离子弧可分为焰心、内焰和尾 焰三个部分，实验所拍摄到的等离子弧仅能看到内焰和尾焰部分。在相同输入功率下，电压 较高时，等离子弧高温的内焰变得细长，使得粒子受热更加均匀，而电流较高时，等离子弧 内焰较短，外观圆钝，对粒子加热时间较短，不利于粒子的熔融过程，因此导致涂层孔隙率 略高。 图 6 等离子喷涂相同输入功率时涂层孔隙率随电压高低的变化 Fig.6 variation of the porosity with the plasma arc voltage at the same plasma power 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 [9] 图 7 等离子弧焰流的温度分布及其外观照片 [9] Fig.7 the temperature distribution and the photographs of the plasma arc 3 结论 根据以上实验数据和分析结果，本次研究得出以下结论: (1) 通过等离子喷涂技术制备了结构致密，组织均匀，非晶含量很高的 Fe 基非晶合金 涂层 (2) 随等离子喷涂功率或者喷涂距离的的增大，涂层的孔隙率先逐渐减小，后逐渐增大。 喷涂功率为 30.25KW，喷涂距离为 110mm 时所制备的 Fe 基非晶合金涂层孔隙率为 1.19%， 显微硬度为 717HV 0.1 (3) 在等离子输入功率一定时，采用较高的喷涂电压将获得孔隙率更低的 Fe 基非晶涂 层。 [参考文献] (References) [1] 姜超平. 等离子喷涂对涂层非晶含量的影响[J]. 材料热处理技术，2009，38 (2):87~89. 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