【摘 要】采用大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂和低壓等離子噴涂三種噴涂技術(shù)制備了FeAl金屬間化合物涂層，分析比較了涂層的顯微組織及硬度。結(jié)果表明：三種FeAl熱噴涂涂層中，低壓等離子涂層具有最致密的顯微組織，并表現(xiàn)出較高的硬度。

【關(guān)鍵詞】熱噴涂 FeAl金屬間化 合物涂層 彈性模量 斷裂韌性

Fe-Al系金屬間化合物成本低廉，其抗高溫氧化、耐熱腐蝕性與不銹鋼相當(dāng)，在H2S氣氛中甚至優(yōu)于不銹鋼，是極具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料[1]。然而，作為脆性材料的一種，其難以加工的特點大大限制了FeAl材料的應(yīng)用。 研究表明，材料的腐蝕失效都是由表面先開始的，對于零件表面的耐蝕性防護(hù)尤為重要，利用熱噴涂技術(shù)的高溫?zé)嵩磳㈣F鋁粉末熔化并噴射至基體表面，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)異的耐蝕性能，同時能夠解決了加工成型的難題 [2-3]。

等離子噴涂、超音速噴涂、低壓等離子噴涂在制備涂層方面各有特點。一般說來，大氣等離子噴涂技術(shù)是較為常用的技術(shù)，等離子體溫度高，能夠熔化和制備大部分的材料涂層[2]；超音速火焰噴涂成本低，盡管通過火焰加熱粉末溫度較低，但是其射流速度最高，具有高速、低溫的特點[3]；低壓等離子噴涂是在大氣等離子噴涂基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在較低的爐體壓力下獲得的涂層具有較低的氧化物含量。本文針對三種不同的噴涂技術(shù)制備同一涂層展開了研究，為涂層制備工藝的選擇提供了基礎(chǔ)。

一、實驗材料及方法

（一）涂層的制備

試驗采用粒度范圍為5-50微米的Fe2Al5和Fe4Al13燒結(jié)混合粉末，選用45#鋼為基體，噴涂之前進(jìn)行基體預(yù)處理，以利于涂層/基體界面結(jié)合。三種噴涂工藝參數(shù)見表1。

（二）涂層微觀表征與性能測試

用Philips-XL30電子掃描顯微鏡對涂層截面進(jìn)行組織分析，采用20%NaOH溶液作為涂層的金相腐蝕劑。利用MH-6型維氏硬度計測試涂層的維氏硬度，載荷為300gf，保持5s。

二、實驗結(jié)果與討論

（一）涂層截面微觀形貌

圖1分別是大氣等離子涂層、超音速涂層、低壓等離子涂層三種涂層截面的顯微形貌。由圖可知利用大氣等離子技術(shù)噴涂的鐵鋁涂層，熔化程度高，層狀組織明顯，層間夾雜黑色氧化物，孔隙以及未熔粒子在顯微組織中也清晰可見。在高倍顯微鏡下觀察可知，涂層組織間有較多細(xì)小的微裂紋，大部分微裂紋方向垂直于層間邊界。超音速火焰噴涂涂層與等離子涂層組織完全不同，未發(fā)現(xiàn)層狀組織，但有大部分未完全熔化變形的粉末鑲嵌在涂層之中，由球形的粒子堆砌而成。相對于其他兩種噴涂技術(shù)，低壓等離子噴涂的涂層熔化程度和致密程度最好，氧化物明顯減少。

涂層的顯微組織與其制備技術(shù)是緊密聯(lián)系的。等離子噴涂焰流溫度高，粉末熔化及扁平化程度高，但高溫粒子暴露在大氣環(huán)境下，容易發(fā)生氧化現(xiàn)象，同時大氣環(huán)境中噴涂對流換熱強烈，基體溫度與高溫熔化的粒子溫差較大，溫度梯度導(dǎo)致涂層中內(nèi)應(yīng)力增加，所以導(dǎo)致脆性鐵鋁涂層內(nèi)部形成大量微細(xì)裂紋。低溫高速的超音速火焰噴涂過程中，粉末被加熱時間僅數(shù)千分之一秒[4]，鐵鋁系金屬間化合物高熔點的特性使粉末粒子不容易被熔化，因此超音速技術(shù)鐵鋁涂層由粒子由高速未熔粒子撞擊堆砌而成。低壓等離子噴涂技術(shù)充分發(fā)揮了等離子的高溫特性，能夠充分熔化和扁平化，同時粒子在高速真空環(huán)境下沉積，能夠獲得的涂層較為致密并且氧化程度低。

（二）涂層X射線衍射相分析

圖2原始粉末以及三種涂層XRD衍射圖譜比較

Fig.2 XRD pattern of original powder and three different coatings

圖2是分別是鐵鋁原始粉末、大氣等離子涂層、超音速噴涂以及低壓等離子噴涂的X射線衍射圖譜。對比之后可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eAl粉末是由Fe2Al5和Fe4Al13兩相構(gòu)成。噴涂后，三種涂層中都還含有Fe2Al5的主相，說明噴涂過程中主相未發(fā)生相變，涂層中均不含有Fe4Al13相。大氣等離子涂層中除了主相Fe2Al5外，還含有含鋁量較低的FeAl相。

（三）涂層顯微硬度比較

圖3是三種涂層維氏硬度對比圖。硬度結(jié)果表明低壓等離子涂層具有最高硬度，與低壓等離子涂層組織致密有關(guān)；超音速涂層疏松的組織以及大氣等離子涂層的孔隙和氧化物等缺陷是兩種涂層硬度偏低的主要原因，并且硬度相接近。硬度結(jié)果與涂層顯微組織、致密性和涂層氧化程度的分析反映出來的規(guī)律基本一致。

圖3 FeAl涂層維氏硬度對比圖

Fig.3 Vicker Hardness of FeAl coatings

三、結(jié)論

利用APS、HVOF、LPPS三種噴涂技術(shù)制備了耐蝕性FeAl涂層。涂層金相分析表明APS涂層是典型的層狀組織，涂層比較疏松，層間存在較多缺陷；HVOF涂層中粒子基本保持著球形的粉末形態(tài)堆砌，大部分粉末未完全熔化變形；LPPS涂層致密度最高，基本無孔隙、未熔粒子等缺陷。對涂層機械性能對比分析顯示，硬度與涂層致密度有緊密關(guān)系，最為致密的低壓等離子涂層具有最高的硬度，而具有缺陷的等離子涂層以及未熔化的超音速涂層具有較低的硬度。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫揚善. Fe3Al金屬間化合物的高溫抗氧化性能[J].金屬學(xué)報， 1998， 34（11）： 1131-1136.

[2]黃傳兵，杜令忠，張偉剛等.三種熱噴涂工藝制備NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2涂層的結(jié)構(gòu)與性能.航空材料學(xué)報[J]，2009，29（9）：70-76.

[3]陳慶軍，胡林麗，楊湘杰. 熱噴涂Fe基非晶合金涂層的研究現(xiàn)狀.熱噴涂技術(shù)[J]，2010，2（1）：8-12.

[4]韓志海，徐濱士，王海軍等. 三種超音速熱噴涂工藝制備WC-12Co涂層的組織結(jié)構(gòu)分析. 中國表面工程，2005，18（3）：23-27.