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        工藝參數(shù)對大氣等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層性能影響

        2014-11-08 05:38:02劉前王優(yōu)強蘇新勇劉基凱黃興保董寧
        熱噴涂技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:主氣斷裂韌性等離子

        劉前,王優(yōu)強,蘇新勇,劉基凱,黃興保,董寧

        (1.青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院,青島 266033;2.青島前進(jìn)船廠,青島 266001)

        等離子噴涂技術(shù)用以制備具有耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫等功能的涂層,其應(yīng)用已從航空航天等領(lǐng)域向其它領(lǐng)域迅速擴展,特別是在船舶、汽車等領(lǐng)域的關(guān)重部件的維修強化與再制造方面得到了令人矚目的應(yīng)用[1]。涂層的質(zhì)量受到噴涂粉末顆粒大小和形貌、噴涂電壓、電流、主/輔氣流量、噴涂距離等諸多因素交互影響[2-5],導(dǎo)致涂層質(zhì)量不易控制。

        等離子噴涂工藝對涂層性能的影響十分復(fù)雜,為進(jìn)一步提高大氣等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層的質(zhì)量,采用正交試驗法,考慮噴涂電壓、噴涂電流、主氣流量和噴涂距離4個因素,對涂層的顯微硬度、孔隙率和斷裂韌性進(jìn)行綜合評價,優(yōu)化大氣等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層的工藝參數(shù),分析各因素對涂層質(zhì)量的影響,對大氣等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層的實際生產(chǎn)應(yīng)用有著重要意義。

        1 試驗材料和方法

        本實驗應(yīng)用APS-2000A型大氣等離子噴涂設(shè)備,試樣基體材料為45鋼,粘結(jié)層材料為鎳鋁包覆型粉末Ni/Al,涂層材料是粒徑為15~45μm的球形粉末Al2O3-40%TiO2(金紅石型)。噴涂粉末前將陶瓷粉末放入烤爐中烘烤1~1.5h,溫度設(shè)定為100~120℃,制備100mm×70mm×8mm試樣。為降低噴涂過程中基體與粘結(jié)層間產(chǎn)生的應(yīng)力,對基體進(jìn)行丙酮去油,預(yù)熱處理。因鋼砂比重大,使用壽命長[6],采用鋼砂按照表1的工藝進(jìn)行表面噴砂,以增強涂層與基體間的結(jié)合強度。按照表2的工藝參數(shù)進(jìn)行粘結(jié)層的噴涂,粘結(jié)層厚度約為0.1mm。

        選取了噴涂電壓、噴涂電流、主氣流量和噴涂距離4個主要工藝參數(shù),按正交表L9(34) 進(jìn)行了四因素三水平正交試驗,正交試驗的因素與水平如表3所示。大氣等離子噴涂Al2O3-40%TiO2復(fù)合陶瓷涂層的噴涂參數(shù)如表4所示,其中送粉率保持在50g/min,涂層厚度約為0.3~0.5mm。

        表1 噴砂處理工藝參數(shù)Table 1 The parameters of sandblasting

        表2 等離子噴涂粘結(jié)層的工藝參數(shù)Table 2 The parameters of bonding layer by plasma spraying

        表3 正交試驗的因素和水平Table 3 The factors and levels of orthogonal test

        表4 正交試驗表及各指標(biāo)結(jié)果Table 4 The Orthogonal test table and the result of each index

        采用金剛石砂輪角磨機沿涂層垂直方向上切割取樣,用砂紙打磨,經(jīng)磨拋機拋光后,用無水乙醇超聲波清洗20min;采用S-3500N型掃描電鏡觀察涂層的表面及截面的微觀結(jié)構(gòu);涂層的顯微硬度在數(shù)字式顯微硬度計上進(jìn)行測量,加載載荷為100g,加載時間為15s;應(yīng)用ImageJ2x圖像處理軟件進(jìn)行涂層孔隙率的計算;涂層的斷裂韌性 在維氏顯微硬度計采用壓痕法進(jìn)行[7],加載載荷為500g,加載時間為15s,其計算公式如(1)式[8]:

        其中,a表示壓痕對角線半長;c表示壓痕尖端的裂紋長度;H表示維氏硬度;E為涂層的彈性模量,取值為173Gpa[9]。采用萬能拉伸試驗機,按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T8642-2002,測試涂層的結(jié)合強度。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 正交試驗分析

        在衡量涂層質(zhì)量及使用壽命的眾多指標(biāo)中,顯微硬度的大小很大程度上對涂層的使用壽命起著決定性作用[10],一般地,硬度越高,其耐磨性越好[11];孔隙率導(dǎo)致涂層使用過程中因應(yīng)力集中而萌生裂紋,涂層后期使用過程中的失效模式及使用壽命受孔隙率的影響[12];斷裂韌性反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力[13],直接影響了涂層的抗疲勞性能。因此采用顯微硬度、孔隙率、斷裂韌性三項指標(biāo)作為正交試驗的評價標(biāo)準(zhǔn)。為提高實驗數(shù)據(jù)的精確性,顯微硬度測量是沿涂層截面方向均勻選取測量位置,取10個測量值的算術(shù)平均值作為涂層的顯微硬度值。隨機采集15張1000倍放大的涂層微觀組織照片,利用ImageJ2x圖像處理軟件計算涂層的孔隙率,取平均值作為該涂層的孔隙率。隨機選取截面涂層的5個測試位置,在500g加載下,取測試值的算術(shù)平均值作為該涂層的斷裂韌性。

        正交試驗分析中,不同噴涂工藝涂層的顯微硬度、孔隙率和斷裂韌性測試結(jié)果如表4所示。通常采用直觀分析法或是極差分析法對正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析[14],試驗采用處理簡便的極差分析方法對各項指標(biāo)的正交試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并且對涂層綜合性能用綜合加權(quán)評分的方式進(jìn)行評價,綜合加權(quán)評分的公式(2)如下:

        取綜合評分為100分,其中顯微硬度、孔隙率、斷裂韌性均為33.33,因孔隙率越大,涂層質(zhì)量越差,所以系數(shù)為負(fù)值,則加權(quán)系數(shù)如(6)(7)(8)式:

        由以上各式得各組試驗的綜合性能評分Y的公式為(9)式:

        各指標(biāo)及綜合性能的極差分析結(jié)果如表5所示。經(jīng)分析可知,噴涂距離對涂層顯微硬度影響較大,噴涂距離的長短影響著顆粒噴濺過程的時間及速度,進(jìn)而影響顆粒加熱熔融狀態(tài)和冷卻過程;噴涂電壓主要影響顆粒的表面溫度,受到輔氣流量的控制,輔氣流量對顆粒速度無明顯的影響[15],分析結(jié)果表明噴涂電壓對涂層的孔隙率、斷裂韌性有明顯的影響;而噴涂電流影響顆粒沉積前和焰流的溫度和速度及熔融狀態(tài),對涂層的綜合性能影響最大;主氣流量直接影響著等離子焰流的熱焓和流速,繼而影響噴涂效率和孔隙率等[6]。

        噴涂電壓、噴涂電流、主氣流量和噴涂距離4個因素對綜合評分的影響如圖1所示。對于噴涂電壓,隨著電壓的增大,涂層綜合性能略有下降后隨之升高,適當(dāng)?shù)奶岣邍娡侩妷?,能夠提高顆粒的表面溫度,改善顆粒的熔融效果,但過高的電壓雖能使顆粒充分熔融,也易造成陶瓷粉末過熱灼燒,使涂層夾雜較多的煙塵,涂層性能下降;隨著噴涂電流的增大,等離子焰流及顆粒表面溫度升高,顆粒熔融均勻,飛行速度增加,但繼續(xù)增大,溫升過高,導(dǎo)致涂層應(yīng)力增加,促進(jìn)裂紋萌生;對于主氣流量,隨著主氣流量的增加,離子濃度減少,等離子焰流的熱焓和溫度降低,顆粒熔融不均勻,進(jìn)而涂層硬度降低,氣孔率增加,當(dāng)流量過小時,顆粒飛行速度較低,容易阻塞噴嘴;適當(dāng)?shù)膰娡烤嚯x使顆粒熔融狀態(tài)和溫度達(dá)到最佳,形成的涂層也比較好。

        經(jīng)過正交試驗分析得,噴涂距離對涂層顯微硬度影響最大,噴涂電壓對涂層的孔隙率、斷裂韌性有明顯的影響,對涂層的綜合性能評分影響順序是:噴涂電流>噴涂距離>主氣流量>噴涂電壓;大氣等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層的最佳工藝參數(shù):噴涂電壓為65V,噴涂電流為500A,主氣流量為30L/min,噴涂距離為90mm。

        表5 各指標(biāo)及綜合性能極差分析結(jié)果Table 5 The analysis results of each index and comprehensive performance

        圖1 四個因素對綜合評分的影響Fig.1 The inf l uence of four factors on the comprehensive score

        2.2 優(yōu)化工藝參數(shù)的試驗驗證

        采用正交試驗優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)噴涂試樣,驗證該工藝參數(shù)條件下,涂層顯微硬度、孔隙率、斷裂韌性及綜合評分是否最優(yōu)。測得涂層的顯微硬度為1036.73HV0.1,孔隙率為0.9%,斷裂韌性為19.87MPa·m1/2,綜合評分為231.38,測得涂層的結(jié)合強度為37.8MPa。

        與表4進(jìn)行比較得到,采用優(yōu)化參數(shù)制備的涂層,具有較高的硬度和斷裂韌性以及較低的孔隙率,其綜合性能最佳。

        優(yōu)化參數(shù)制備的涂層表面及截面微觀形貌如圖2所示。由圖(a)涂層表面形貌可以看出,涂層呈現(xiàn)片層狀堆積結(jié)構(gòu),圖(b)可以看出,涂層均勻致密,有少量氣孔,涂層由完全熔覆區(qū)和部分熔覆區(qū)構(gòu)成,顯現(xiàn)出類堆積巖紋理的明暗相間的區(qū)域。

        圖2 優(yōu)化參數(shù)制備涂層的微觀形貌Fig.2 The microstructure of coating by optimized process (a) surface (b) section

        3 結(jié)論

        (1)經(jīng)正交試驗分析,4個工藝參數(shù)因素相互交錯影響著涂層的性能,且噴涂距離對涂層顯微硬度影響較大,噴涂電壓對涂層的孔隙率、斷裂韌性有明顯的影響,對涂層的綜合性能評分影響順序是:噴涂電流>噴涂距離>主氣流量>噴涂電壓;

        (2)優(yōu)化的最佳工藝參數(shù):噴涂電壓為65V,噴涂電流500A,主氣流量為30L/min,噴涂距離為90mm;

        (3)最優(yōu)工藝參數(shù)制備的涂層顯微硬度為1036.73HV0.1,孔隙率為0.9%,斷裂韌性為19.87MPa·m1/2,涂層的結(jié)合強度為 37.8MPa。

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