等离子喷油金属陶瓷涂层的显微特性

目前，等离子喷油制备陶瓷/金属 陶瓷油层技术作为一种新工艺新技术 正逐步得到快速发展。由于等离子喷油 具有工艺成熟、成分可控、沉积速率高、 油层致密均匀、耐磨性好、结合强度高 等特点[1]，采用等离子喷油制备的陶瓷 /金属陶瓷油布刮刀已成为取代传统 钢质刮刀的新型造纸刮刀，被广泛应 用在造纸行业中。这种新型刮刀是在 钢质刮刀表面采用大气等离子喷油技 术(简称APS技术)喷油NiCrAl/Al2O3- 13wt%TiO2(简称NiCrAl/AT13) 金属 陶瓷混合粉油层，得到一层耐磨蚀油层 的方法制备而成。与传统钢质刮刀相 比，新型陶瓷刮刀性价比高、经济适用、 耐磨损、工作寿命长，油布质量高，大大 提高了生产效率。 等离子喷油工艺的复杂性，导致 决定油层质量和性能的因素较多，且各 因素之间相互影响[2]。国内外研究人员 在采用等离子喷油技术喷油制备油布 刮刀时，喷油的陶瓷或金属陶瓷粉材种 类繁多，调整的工艺参数不一，导致所 得油层的性能迥异，尤其是油层耐磨性 能和孔隙率方面有很大差异。 本文研究设计的NiCrAl/AT13金 属陶瓷油层，通过正交试验法调整了几 个重要的喷油工艺参数，采用对比的 方式制备出NiCrAl/AT13金属陶瓷油 层，得到的油层组织均匀致密、结合强 度较高、耐磨性能良好并且孔隙率低。 一、油层的制备工艺与检测技术 1.制备金属陶瓷油层 喷油工艺路线为：刮刀基材脱脂 净化→喷砂粗化→喷油基材预热→喷 油工作油层→油层的磨削加工。为控 制工件的温度在180 ～220℃范围内， 应尽量减小因热应力产生的变形，喷 油时要注意工件的冷却，控制工件温 升程度。金属粘结底层喷油厚度大约 为0.05mm，详细工艺参数见表1。 等离子喷油工艺设备复杂，喷油 得到的油层质量受很多因素影响，研 究发现，至少有十几个独立的参数对 油层性能及使用寿命起关键作用[3]。 喷油参数主要有电流、主辅气流量、载 气流量、喷油距离、送粉速度、喷抢移 动速率等，因各因素之间相互影响，对 单个因素逐一进行研究过程繁琐，考 虑到实验对基体热变形控制要求比较 高，故选定弧电流、走抢速度和喷油距 离3个喷油参数进行正交试验（请见 表2），来分析等离子喷油工艺参数与 性能之间的关系，其中喷油弧电压选 等离子喷油NiCrAl/AT13 金属陶瓷油层的显微特性 ■ 文/李忠丽1 孙宏飞1 高 鹏1 李业超2 燕友增1 1.山东科技大学材料科学与工程学院 2.青岛飞洋职业学院 表1 金属粘结底层喷油工艺参数 主气流量(Ar) 40L/min 辅气流量(H2) 2.5L/min 送粉气流量(Ar) 40L/min 弧电流450A 弧电压60V 喷油距离120mm FRONTIER 前 沿 新材料产业 NO.2 2010 67 维氏硬度 定为60V。根据轻工业行业标准Q B / T2574-2002，生产的标准刮刀刃口直 线度大约控制在≤ 0.025m m / m，且 全长范围内只允许出现一个微变形 弧度[2]，故在制备的刮刀油层上截取 10m m ×10m m样片，采用X Q -2A型 金相试样镶嵌机镶嵌试样。 2.油层性能测试 根据国家标准，需要用平尺和塞 尺来测量陶瓷刮刀的刃口直线度、油 层平面度以及刮刀刃口平行度，以判 断是否符合技术要求。经过测量，采 用以上参数喷油制备的刮刀均符合 油布刮刀的形位尺寸要求。油层试样 采用K Y K Y -2800B型扫描电子显微 镜和能谱仪对油层表面微观形貌和 元素分布进行了观察和分析，结合强 度测试是在M T S -810材料拉伸试验 系统上采用对偶件拉伸试验法完成 的。在M -200型磨损机上对油层的磨 损性能进行了工况条件下的模拟，利 用H V S－ 1000型数字式显微硬度计 测试了油层的V i c k e r s硬度，利用 D / M A X－r c型X－R a y衍射仪 分析了油层相结构成等。 二、油层性能的表征与分析 1.微观形貌分析 由图1可以看出，金属陶瓷油层 表面粗糙、坑洼不平，由形状和大小不 规则的颗粒及孔洞组成，这是喷油时 颗粒没有充分熔化和熔滴、没有充分 铺展造成的，从而也导致了孔隙的产 生，油层表面既有浅白色颗粒又有灰 黑色物质，且分布不均匀。 从油层截面图（图1（b））上看出， 金属粘结层与工作油层、工作油层与基 体的结合都非常致密，油层内部熔滴层 层平铺，呈明显的长条状或扁条状[4]， 油层分界面明显且结合紧密。分析原 因如下：等离子喷油过程中，A l2O3- 13% T i O2陶瓷粉末颗粒被加热至熔融 或半熔融状态，与基体发生高速撞击 后，使颗粒与基体之间产生应力聚集， 熔融颗粒在应力作用下发生侧向流动， 逐渐向外扩展形成扁平或层片状。同 时陶瓷粉之间伴随熔融发热效应发生 （产生少量α-Al2T i O5相），形成表面 光滑的骨架，减少了部分孔隙，上面附 有少量未熔化的微粒。经能谱分析知， 未熔微粒为A l2O3，片层间浅白色物质 为T i O2,灰黑色区域主要是A l2O3及部 分孔隙，富Al2O3和富TiO2区成层状平 铺，部分互熔，提高了油层的致密度和 结合强度[5-6]。 2.显微硬度分析 HVS-1000型显微硬度计测试原 理：以相对两棱面夹角为136o(两棱夹 角为14o86'42" )的金刚石正四棱角锥 体为压头，在一定载荷作用下，压入试 样表面保持规定的时间后卸载，用读 数显微镜测量所得压痕的两对角线， 取其平均值，然后据表查得硬度值[7]。 抛光后的试样在显微硬度计上测量硬 度值，压头载荷为300g，加载时间为 15s。为排除基材和压痕残余应力场对 试验数据的影响，压痕选择的位置均 应满足条件：压痕对角线长度小于油 层厚度，各压痕中心间距大于3倍的对 角线长度。为避免试验误差，每个试样 要进行多次测量，统计分析时去掉最 大和最小值，然后取平均值，如图2。由 图2可知，9个油层的显微硬度值都比 较高，均达到了要求的硬度值。由于油 层内部有完全熔化区、部分熔化区和 列号电流/A 走抢速度/（m/s） 喷油距离d/mm 平面度结 果/mm 试验号水平 数值水平 数值水平 数值数值 表2 正交试验设计方案 图1 油层的微观形貌(SEM) (a)表面形貌 (b)截面形貌 图2 油层显微硬度值 前 沿FRONTIER 68 Advanced Materials Industry 未熔颗粒之分，所以油层上不同点的 硬度值不同。工艺参数不同也将导致 各油层硬度值不同。 分析可知，油层显微硬度大小与 孔隙率大小和致密度有关，组织越致 密，孔隙率越小，硬度越高；完全熔化 区的硬度由于组织致密明显高于部分 熔化区，影响油层硬度的最主要工艺 参数除了电压外还有电流、喷油距离 和走抢速度。 3.相结构分析 试验采用D / m a x - R B型X射线 衍射仪对油层中的相组成进行了鉴定 和分析，用C u靶Kα射线，扫描速度 为4o/ m i n，步长为0.02o。查阅文献可 知，A l2O3晶体类型多达十几种,常见 的有α、γ、β、θ、η和δ等相，其中 只有α相为室温下最稳定相，其他都 为亚稳相，α - A l2O3具有较高的硬度 和介电性能，在高温下具有非常好的 稳定性[8]。 本实验喷油的Al2 O3粉即为 α - A l2O3。由图3可以看出，油层以 α - A l2O3为主要物相，同时有少量的 亚稳态γ-Al2O3相和Ni(Cr,Fe,Ti)2 相存在。γ - A l2O3相属于亚稳相，在 温度达到1300℃时会发生相结构转 变，转变成稳态α - A l2O3相。亚稳相 会降低油层的塑性和延展性，因此油 层中亚稳相存在的越少越好。实验获 得的油层中亚稳相比较少，所以油层 质量较优良；油层半熔区存在纳米 晶体和非晶体；油层中T i O2与A l2O3 能够互溶，成分相互扩散，降低了油 层孔隙率，提高了油层的组织致密度 和结合强度[11]。工作油层中存在的 N i ( C r , F e , T i )2O4相属于黑尖晶石型 立方结构，主要是由金属粘结油层和 工作油层之间发生热扩散得到的。 喷油材料属于离子键陶瓷，转变 激活能较高，陶瓷油层在结构转变 时，动力学条件起到主要作用。稳态 结构转变激活能要求较高，所以油层 在冷却时，要求冷却速度较快，如果 有部分的热力学条件即推动力达不 到转变为稳态的要求，油层则转变为 能量较高的亚稳态结构[12]。油层中还 夹杂着N i C r A l金属相，原因是在喷 油A T13粉末时受到打底层N i C r A l 粉末的污染，使得工作油层中含有 N i C r A l成分；再有可能是衍射处油 层厚度很薄，使得衍射也在底层发 生，从而在衍射图谱中存在N i C r A l 金属相[13]。 根据上述油层制备及油层性能分 析，可以得到以下结论：①以结合强 度为主要技术指标，以喷油弧电流、走 抢速度和喷油距离为主要考察因素， 通过设计正交试验来优化喷油工艺， 制备出了综合性能优异的金属陶瓷油 层，得到最优喷油工艺参数，即弧电流 为500A、走抢速度为0.75m / s、喷油 距离为100m m；②油层结合方式为机 械结合和半机械半冶金结合，层状结 构清晰明显，层与层间结合致密均匀， 孔隙率较低；③油层的显微硬度值都 比较高，除与工艺参数有关外，主要 是与油层致密度和孔隙率大小有关； ④工作油层相结构较为简单，组成以 稳态的α - A l2O3相为主，还夹有黑尖 晶石型N i ( C r , F e , T i )2O4相和少量的 α-Al2TiO5相和亚稳态γ-Al2O3相。