陳建強(qiáng)，劉 敏，鄧春明，鄧暢光

（1．廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510081；2．廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650）

低溫高速火焰噴涂制備鈦涂層

陳建強(qiáng)1，2，劉 敏2，鄧春明2，鄧暢光2

（1．廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510081；2．廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650）

利用新研發(fā)的低溫高速火焰噴涂在A3鋼上制備鈦涂層，對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)和基本性能進(jìn)行了表征．顯微結(jié)構(gòu)表明，近表面Ti涂層結(jié)構(gòu)疏松，而內(nèi)部較致密，并且觀察到明顯的氧化物界面；XRD分析表明涂層中含有一定鈦的氧化物．鈦涂層在A3鋼基體上的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)38 MPa，顯微硬度高于純鈦材，說(shuō)明涂層中有氧化物存在．

Ti涂層；低溫高速火焰噴涂；性能；結(jié)合強(qiáng)度

鈦是五十年代興起的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，同其它結(jié)構(gòu)金屬相相比，它具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度高和耐腐蝕性能好，這使鈦不僅能在極其惡劣大氣條件下使用，而且能耐強(qiáng)化學(xué)試劑的腐蝕．鈦還有其它的一些性能如韌性好、無(wú)磁性、熔點(diǎn)高、無(wú)毒及熱膨脹系數(shù)低等．

但由于鈦材的價(jià)格較貴，使其應(yīng)用受到了限制．為此，國(guó)內(nèi)外在鈦涂層研究方面開(kāi)展了許多工作，并取得了進(jìn)展．

鈦十分活潑，用常規(guī)等離子噴涂無(wú)法得到高質(zhì)量的鈦涂層，因此在70年代發(fā)展了低壓等離子噴涂新工藝．該技術(shù)可得到致密度高、孔隙度小、結(jié)合強(qiáng)度好的鈦涂層，但該制備工藝復(fù)雜，且成本耗費(fèi)大．王德政，周克崧等［1］研究了低壓等離子噴涂Ti－Ni合金涂層的工藝以及噴涂參數(shù)，如噴涂氣氛、氣氛壓力、主氣流量等對(duì)涂層質(zhì)量的影響．周克崧等［2］還研究了青銅上面制備Ti－Ni合金涂層的抗空泡腐蝕性．近年來(lái)開(kāi)發(fā)的冷噴涂工藝是常用的制備鈦涂層工藝．但冷噴涂不僅對(duì)粉末顆粒的要求嚴(yán)格，為獲得較好涂層質(zhì)量，往往需要采用昂貴的氦氣．Hong－Ren Wang等［3］在1Crl3不銹鋼基體上制備了鈦金屬保護(hù)涂層，對(duì)鈦涂層的顯微結(jié)構(gòu)和腐蝕行為進(jìn)行了研究，并以數(shù)值的方法模擬了鈦金屬粒子在冷噴涂的過(guò)程的加速，發(fā)現(xiàn)增大氣體的溫度和壓力能夠增加粒子的速度，并且較小的粒子越能得到較高的粒子速度．此外，宋丹［4］采用低壓電弧噴涂方法制備了Ti涂層，對(duì)其成分和組織進(jìn)行了分析，并研究了噴涂工藝對(duì)涂層中雜質(zhì)含量及對(duì)噴涂粒子形態(tài)的影響．結(jié)果表明，在Ar氣保護(hù)條件下，防止涂層氧化和氮化仍然有一定的困難，需要采用低真空度保護(hù)才可能制備出致密的涂層．但這種方法由于噴涂溫度低，粒子飛行速度比較低，所獲得的涂層中孔隙率高，粒子之間的結(jié)合強(qiáng)度較低．

超音速火焰噴涂由于其噴涂過(guò)程中，噴涂顆粒是以超音速飛行而撞擊到基體表面上沉積形成涂層，能夠獲得比普通火焰噴涂或等離子噴涂結(jié)合強(qiáng)度更高的致密涂層［5－6］，廣泛的用于制備高性能的金屬、金屬陶瓷涂層，隨著該技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展方向朝著焰流低溫高速發(fā)展［7］．

本文采用新研發(fā)的低溫高速火焰噴涂系統(tǒng)，即通過(guò)向燃燒室注水來(lái)降低焰流的溫度和提高燃燒室的壓力，從而使粉末粒子獲得更高的速度和較低的溫度．利用該噴涂系統(tǒng)對(duì)鈦涂層進(jìn)行嘗試，并對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征．

1 實(shí)驗(yàn)方法及表征

本試驗(yàn)采用普通的A3鋼為基體，尺寸為150mm×100mm×6mm，基體經(jīng)除油后采用24＃棕剛玉進(jìn)行噴砂粗化處理，以待噴涂．試驗(yàn)鈦粉末是由陜西鳳翔粉鈦廠制備的高純鈦粉，尺寸為38～48 μm．鈦粉末顆粒的制備工藝：氫化—破碎—脫氫，粉末呈尖銳的棱角．圖1為粉末的形貌圖．采用新近研發(fā)的低溫高速火焰噴涂系統(tǒng)，燃燒室出口直徑為5 mm，噴槍為100 K．噴槍固定在機(jī)器人上，噴槍移動(dòng)速度為1000 mm／s．噴涂遍數(shù)為30遍．表1為噴涂工藝參數(shù)．

圖1 Ti粉末的SEM形貌圖

表1 鈦涂層的主要沉積工藝參數(shù)

采用帶EDS的JSM5910掃描電鏡以及PhilipsX'PertProx衍射儀對(duì)粉末、噴涂態(tài)涂層的組織和相組成進(jìn)行表征．參照ASTM C633－79標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試涂層的結(jié)合強(qiáng)度，取三個(gè)平行樣品，將噴涂的試樣切成尺寸為D25．4 mm的圓片，并將涂層表面的疏松區(qū)磨掉后，用E－7膠將之與對(duì)偶件粘結(jié)在一起，并用夾具夾緊，放入干燥爐中于100℃固化3 h，室溫下放置24 h．采用JDL－50KN型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量涂層與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度．涂層的結(jié)合強(qiáng)度按下面的公式計(jì)算：

式（1）中，F(xiàn)為拉伸斷裂時(shí)的最大拉力，A為試樣的斷裂面面積．采用MH－5D型顯微鏡硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度，其中加載為3N，保持載荷15 s．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 涂層的顯微組織

圖2為T(mén)i涂層的掃描電鏡圖，圖2（a）為T(mén)i涂層組織放大100倍的表面形貌圖，圖2（b，c，d）分別為T(mén)i涂層組織放大100倍、500倍和800倍的剖面SEM圖．從圖2（a）可知，涂層的表面很粗糙，可以觀察到明顯的間隙，涂層表面呈“菜花狀”，表明在該粉末在噴涂過(guò)程中發(fā)生了局部熔融，但是沒(méi)有完全鋪展開(kāi)．而從圖2（b，c，d）可以看出，涂層整體比較均勻，但是在近表面存在疏松結(jié)構(gòu)區(qū)，其粒子之間結(jié)合較差，還存在大量的裂紋，這與前面分析涂層表面粗糙度較高和表面存在較大間隙結(jié)論一致．而近表面疏松區(qū)下面的涂層卻很致密．同時(shí)，在涂層致密區(qū)均發(fā)現(xiàn)存在灰色界面，該界面為鈦的氧化物．可以發(fā)現(xiàn)沿灰色界面包圍的形狀與原始粉末粒子外形結(jié)構(gòu)相似，表明灰色界面區(qū)域是由鈦粉末粒子的外表面在焰流中被氧化后而沉積形成的．但涂層灰色界面較淡，表明涂層中的氧化物含量較低．

2．2 涂層的相結(jié)構(gòu)

圖3為T(mén)i粉末顆粒與Ti涂層的X射線衍射譜．本研究采用的鈦粉為99%以上的高純鈦粉，因此粉末的XRD圖譜分析為單質(zhì)鈦．從圖3可以看出，鈦涂層的主要衍射特征峰與Ti粉末顆粒的基本上保持一致，表明涂層與粉末均具有相同的主晶相，但在涂層的XRD圖譜中還發(fā)現(xiàn)有Ti的氧化物的衍射峰，說(shuō)明粉末在焰流中發(fā)生了部分氧化．

Ti粉末的衍射峰強(qiáng)度比所有Ti涂層的都高，說(shuō)明Ti粉顆粒的晶化程度要高于低溫高速火焰噴涂制備的Ti涂層，這可能因?yàn)門(mén)i粉末在噴涂過(guò)程中發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形，使部分Ti粉末晶粒的晶格常數(shù)發(fā)生了變化．

圖2 Ti涂層的掃描電鏡圖

圖3 Ti粉末與涂層的XRD圖

2．3 涂層的結(jié)合強(qiáng)度

表2為鈦涂層在A3鋼上的結(jié)合強(qiáng)度值．由于鈦和氧具有良好的親和力，在高溫下容易形成鈦的氧化物，氧化物的存在容易導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度低．本鈦涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)45 MPa，說(shuō)明該涂層具有良好的內(nèi)聚力．

表2 Ti涂層的結(jié)合強(qiáng)度

2．4 涂層的顯微硬度

分別對(duì)所制備的鈦涂層和鈦塊材的顯微硬度HV0．3，15s進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果列于表3．從表3可知，涂層的硬度達(dá)到201HV，遠(yuǎn)高于鈦材，顯微硬度偏高與涂層中含有一定的氧化物以及涂層結(jié)構(gòu)致密有關(guān)．

表3 Ti涂層的顯微硬度

3 結(jié) 論

采用新近研發(fā)的低溫高速火焰噴涂制備的Ti涂層，其表面疏松，粗糙度非常高；近表面涂層結(jié)構(gòu)疏松，但涂層內(nèi)部很致密，而且在粒子邊界還發(fā)現(xiàn)存在灰色的氧化膜．涂層主要由單質(zhì)Ti相組成，同時(shí)還有Ti的氧化物存在．Ti涂層在A3鋼基體上的結(jié)合強(qiáng)度為45 MPa；顯微硬度為201HV，遠(yuǎn)高于純鈦材，較高的顯微硬度和鈦涂層氧化、涂層內(nèi)部致密有關(guān)．

［1］王德政，周克崧，楊大君，等．低壓等離子噴涂Ti－Ni合金涂層工藝的研究［J］．廣東有色金屬學(xué)報(bào)，1991，1（1）：39－44．

［2］ZHOU K S，WANG D Z，LIU M，et al．A study of the cavition erosion behaviour of a Ti－Ni alloy coating［J］．Surface and Coatings Technology，1987，34：79－87．

［3］WANG H R，LI W Y，MA L，et al．Corrosion behavior of cold sprayed titanium protective coating on 1Cr13［B1］substrate in seawater［J］．Surface and Coating Technology，2007，201：5203－5206．

［4］宋丹，李德元，張廣偉，等．低壓電弧噴涂Ti涂層組織形態(tài)及其制備工藝［J］．特種鑄造及有色合金，2010，30（8）：758－761．

［5］DANIEL W P，GERALD L K．HVOF－spray technology poised for growth［J］．Advanced Materials＆Process，1991（4）：68－74．

［6］YILBAS B S，KHALID M，ABDUL－ALEEM B J．Corrosion behavior of HVOF coated sheets［J］．Journal of Thermal Spray Technology，2003，12（4）：572－57．

［7］解永杰，牛二武，曹曉明．超音速火焰噴涂技術(shù)的發(fā)展與特點(diǎn)［J］．天津冶金，2004（2）：32－35．

Ti coating was prepared by low temperature high velocity oxygen fuel

CHEN Jian－qiang1，2，LIU Min2，DENG Chun－ming2，DENG Chang－guang2
（1．College of Materials and Energy，Guangdong university of Technology，Guangzhou 510081，China；2．Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals，Guangzhou 510650，china）

The Ti coating was deposited on A3 steel by Low Temperature High Velocity Oxygen Fuel that was a newly process．The microstrcture and basic properties of Ti coating were characterized．The microstructure of Ti coating indicates that The Ti coatings were comprised by a loose subsurface area and a dense inner coating area．a(chǎn)nd still observed obviously oxide layer．The XRD analysis shows that there were some oxides in the coating．The bond strength of Ti coating on A3 steel is more than 38Mpa，and the microhardness is higher than pure titanium．It also illustrated that there were some oxides in Ti coating．

Ti coating；low temperature high velocity oxygen fuel；property；bond strength

TG174．44

A

1673－9981（2010）04－0538－04

2010－10－19

陳建強(qiáng)（1984—），男，湖南婁底人，碩士研究生．