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        軋輥表面激光重熔熱障涂層抗熱沖擊性能研究

        2015-03-18 03:09:32張軍營許石民孫登月侯廣義
        激光技術(shù) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:抗熱熱障重熔

        張軍營,許石民,孫登月,侯廣義

        (燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心,秦皇島066004)

        引 言

        液芯大壓下軋制時,軋輥處于高溫、低速、重載等多重惡劣工況下,軋輥表面極易發(fā)生龜裂導(dǎo)致輥子報廢。軋輥的質(zhì)量和壽命直接關(guān)系著鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率,必須提高軋輥在極端條件下的使用壽命。采用等離子噴涂工藝制備的陶瓷熱障涂層作為隔熱材料,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、燃?xì)獍l(fā)電、化工等領(lǐng)域[1-2],但是,等離子噴涂涂層特有的層狀結(jié)構(gòu)、孔隙率高等問題,使得涂層結(jié)合強(qiáng)度不高,在高溫、重載條件下服役時極易產(chǎn)生裂紋,剝落甚至涂層局部垮塌等問題,制約了熱障涂層的使用壽命和應(yīng)用范圍[3]。

        激光重熔改性技術(shù)是近年來激光表面工程領(lǐng)域的研究重點之一。激光重熔可以改善等離子噴涂涂層微觀組織結(jié)構(gòu),消除涂層的層狀堆積結(jié)構(gòu),降低涂層的孔隙率,提高涂層的致密度,促使界面處元素均勻擴(kuò)散,有利于涂層和基體界面形成冶金結(jié)合,提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度,改善涂層質(zhì)量[4]。國內(nèi)外學(xué)者對激光重熔熱障涂層進(jìn)行了深入研究,并取得了一系列的研究成果[5-7]。但是關(guān)于激光重熔熱障涂層在軋輥上的應(yīng)用的相關(guān)報道非常少。

        本文中在軋輥材料4Cr5MoSiV1表面,采用等離子噴涂-激光重熔復(fù)合工藝制備了氧化鋯熱障涂層,設(shè)計研究了其抗熱沖擊性能,并分析了熱沖擊失效原因,以便采取更加有效的措施提高涂層抗熱沖擊性能,提高軋輥使用壽命。

        1 實驗材料與實驗方法

        1.1 實驗材料和涂層制備

        本實驗中采用雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層。陶瓷層采用北京桑堯科技開發(fā)有限公司提供的ZrO2-0.08Y2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w),粉末粒度在47μm~75μm之間,粘結(jié)層為NiCoCrAlY,粒度范圍在45μm ~105μm之間,由北京礦業(yè)研究總院提供,所用基體材料為4Cr5MoSiV1熱作模具鋼,尺寸為100mm×200mm×18mm。

        首先采用LDC-60SKR型等離子噴涂設(shè)備,在基體表面制備約0.2mm的熱障涂層。激光重熔時,激光重熔工藝參量直接決定了涂層的形貌和表面質(zhì)量。參照參考文獻(xiàn)[8]~參考文獻(xiàn)[10],采用正交試驗,在確定光斑直徑和搭接率的前提下,調(diào)節(jié)激光功率和掃描速率,經(jīng)多次實驗后最終確定最優(yōu)的激光重熔工藝參量,見表1。采用DL-HL-T5000B型5kW橫流CO2激光器,利用優(yōu)化后的重熔工藝參量,對等離子噴涂層進(jìn)行激光重熔,探究優(yōu)化后制備的重熔涂層能否提高抗熱沖擊性能。

        Table 1 Process parameters of laser remelting

        1.2 實驗方法

        采用Hitachi S-4800掃描電鏡觀察涂層的微觀形貌和組織變化,利用能量分散譜儀對涂層斷面進(jìn)行微區(qū)元素成分分析。

        熱沖擊實驗的試樣尺寸為?20mm×30mm,將試樣置于箱式加熱爐中加熱,恒溫1000℃,試樣保溫10min后取出,放入常溫(25℃)水中激冷,待水面平靜后將試樣取出,記錄涂層表面的變化情況,循環(huán)加熱、保溫、淬冷的過程,定義涂層剝落面積達(dá)到10%時,涂層完全失效。

        2 實驗結(jié)果與結(jié)果分析

        2.1 等離子噴涂熱障涂層的微觀形貌

        圖1為等離子噴涂熱障涂層的典型的微觀形貌。涂層表面熔化效果較差,粗糙度較大,組織疏松,表面質(zhì)量較低。涂層斷面從下至上依次為基體、粘結(jié)層、陶瓷層,層與層的界面結(jié)合處分界明顯,主要呈現(xiàn)物理機(jī)械結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度較低,涂層容易整體剝落。此外,陶瓷層呈明顯的片層狀結(jié)構(gòu),片層間分布著較多無明顯規(guī)律的大尺寸孔隙和裂紋等缺陷,涂層質(zhì)密度較低。

        Fig.1 Microstructure morphology of plasma spraying thermal barrier coatingsa—surface b—cross section

        陶瓷粉末的性質(zhì)和等離子噴涂工藝決定了涂層的微觀形貌。陶瓷粉末熔點高,熱導(dǎo)率低,等離子噴涂過程中部分陶瓷粉末未完全融化,變形不完全,涂層中存在大量的未熔顆粒,在基體表面沉積的過程中易產(chǎn)生孔隙,導(dǎo)致表面凹凸不平、組織不均勻。由于熔融陶瓷粉末快速但不均勻的冷卻速度極易導(dǎo)致殘余應(yīng)力的形成,在殘余應(yīng)力作用下,陶瓷層收縮而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋形成并擴(kuò)展;而陶瓷層的層片狀結(jié)構(gòu)是由等離子噴涂工藝決定的,是陶瓷粉末在高溫焰流作用下依次碰撞基體逐步沉積而形成的。

        2.2 激光重熔熱障涂層的微觀形貌

        激光重熔熱障涂層的微觀形貌如圖2所示。和等離子噴涂涂層相比,激光重熔后涂層呈現(xiàn)明顯不同的形貌特征。涂層表面相對平整、光滑,粗糙度較低,組織均勻致密,微裂紋呈網(wǎng)狀分布且通常沿晶界產(chǎn)生。經(jīng)過激光重熔后,陶瓷層未熔顆粒完全熔化重結(jié)晶,消除了原有的層狀堆積結(jié)構(gòu),大尺寸裂紋、孔隙等缺陷明顯改善,組織結(jié)晶細(xì)化,形成了致密、均勻、較少氣孔的重熔層,涂層質(zhì)量明顯提高。

        Fig.2 Microstructure morphology of laser remelting thermal barrier coatings a—surface b—cross section

        激光重熔工藝中,在激光束的高溫作用下,表面陶瓷層形成高溫熔池,未熔陶瓷粉末得到充分熔化,當(dāng)激光束離開時,粉末迅速凝固,涂層經(jīng)重結(jié)晶后晶粒細(xì)化,組織均勻,形成光滑平整的重熔表層;但是較快的凝固速度易形成局部較大的溫度梯度,導(dǎo)致網(wǎng)狀微裂紋的形成;此外,陶瓷粉末完全融化后,原有的層狀結(jié)構(gòu)特征和大部分殘余內(nèi)應(yīng)力得以消除,重熔層形成了定向外延,沿?zé)崃鞣较蛏L的柱狀晶組織,減少了原涂層中的孔隙和裂紋,提高了涂層的致密性。網(wǎng)狀裂紋和柱狀晶組織的形成可以提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹蓿欢ǔ潭壬咸岣吡送繉拥目篃釠_擊性能。但是,同時也為高溫燃?xì)饧捌渌g介質(zhì)提供了通道,金屬粘結(jié)層抗氧化能力降低。

        激光重熔后,陶瓷層與過渡層之間分界面不是特別明顯,利用能量色散譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)對分界面元素進(jìn)行微區(qū)成分分析,結(jié)果如圖3所示。

        Fig.3 EDS analysis of laser remelting coatings

        分析表明:在激光的對流攪動作用下,陶瓷層的Zr元素,過渡層的Co,Ni等元素,以及基體的 Mn,F(xiàn)e元素在分界面相互擴(kuò)散,形成各元素共存的過渡區(qū)域。層間結(jié)合方式由機(jī)械物理結(jié)合向著金屬鍵結(jié)合過渡,從而使涂層和基體形成優(yōu)異的冶金結(jié)合,提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

        2.3 熱沖擊實驗

        圖4是基體試樣熱沖擊實驗前后的形貌。經(jīng)過熱沖擊實驗,試樣表面盡管沒有產(chǎn)生裂紋,但每一次熱沖擊基體表面均會產(chǎn)生大量的氧化鐵皮,造成表面剝落失效,使用壽命較短。

        Fig.4 Morphology of substrate before and after thermal shocka—before thermal shock b—the 5th time of thermal shock c—the 10th time of thermal shock

        圖5 是等離子噴涂試樣熱沖擊實驗前后涂層剝落的情況。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加,14次時圓柱試樣端部開始出現(xiàn)裸眼可見的宏觀裂紋;由于裂紋的出現(xiàn),淬火產(chǎn)生的熱量從裂紋處釋放,產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力,在熱氧化層的綜合影響下,循環(huán)次數(shù)32次時涂層大面積剝落導(dǎo)致涂層失效。

        Fig.5 Morphology of plasma spraying coating before and after thermal shocka—before thermal shock b—the 14th time of thermal shock c—the 32nd time of thermal shock

        圖6 是激光重熔試樣熱沖擊實驗前后涂層剝落的情況。循環(huán)過程中無明顯宏觀裂紋出現(xiàn),循環(huán)次數(shù)43次時,圓柱試樣端部開始出現(xiàn)小塊涂層剝落;隨著熱沖擊次數(shù)的增加,剝落位置和剝落面積逐漸擴(kuò)展連接,最終導(dǎo)致涂層大面積剝落,循環(huán)次數(shù)94次時涂層失效。對比等離子噴涂涂層,抗熱沖擊性能明顯提高。

        Fig.6 Morphology of laser remelting coating before and after thermal shock a—before thermal shock b—the 43rd time of thermal shock c—the 94th time of thermal shock

        2.4 失效分析

        熱循環(huán)過程中,熱物理性能不匹配引起的失配應(yīng)力和過渡層氧化產(chǎn)生的應(yīng)力是熱障涂層失效的主要原因。失效形式均為陶瓷層表面剝落。

        失配應(yīng)力的具體表達(dá)式[11]如下:

        式中,σ為失配應(yīng)力;E為彈性模量;ΔT為熱沖擊試樣中溫度差;Δδ為基體與陶瓷層之間的熱膨脹系數(shù)差;μ為陶瓷層泊松比,經(jīng)驗值為0.26。

        由(1)式可知,失配應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)差值呈正比。材料之間熱膨脹系數(shù)差異越大,內(nèi)部形成失配應(yīng)力越大,涂層抗熱沖擊性能越弱。

        高溫條件下,過渡層極易被氧化,導(dǎo)致過渡層脆性增加,氧化過程伴隨著一定程度的體積膨脹,導(dǎo)致涂層內(nèi)部出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力,冷卻過程中殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步增加,涂層在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋并最終失效[12]。涂層抗高溫氧化能力越強(qiáng),抗熱沖擊性能在一定程度上也會得以提高。

        等離子噴涂涂層為層片狀結(jié)構(gòu),層片間接觸面積有限,結(jié)合力薄弱。在熱沖擊實驗驟熱驟冷的條件下,層間界面起伏變化較大,由于熱膨脹系數(shù)不匹配程度較大,陶瓷層內(nèi)較大的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力循環(huán)出現(xiàn),極易導(dǎo)致微裂紋的形成、擴(kuò)展、連接,形成大裂紋;多孔陶瓷層本身即是氧的良導(dǎo)體,再加上孔隙和裂紋為高溫燃?xì)饧捌渌g介質(zhì)提供了更多通道,過渡層被氧化速度較快,極易產(chǎn)生水平粗大裂紋;此外,大裂紋的不規(guī)則分布不利于失配應(yīng)力的吸收和釋放,最終導(dǎo)致涂層失效。但失配應(yīng)力仍是涂層失效的主要原因。

        激光重熔涂層致密光滑,孔隙裂紋大大減少,一定程度上起到封孔作用,有效減緩了過渡層的氧化;完全熔化區(qū)形成柱狀晶結(jié)構(gòu),柱狀晶之間存在一定的間隔,提供了體積膨脹的空間,可以有效消除熱應(yīng)力引起的體積效應(yīng),有利于減少陶瓷層與基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配;同時,在激光快熱快冷作用下,涂層表面形成網(wǎng)狀微裂紋,可以提升涂層的應(yīng)變?nèi)菹蓿鋺?yīng)力被有效吸收和緩解,抑制了層間水平裂紋的擴(kuò)展連接,有效提高了陶瓷涂層的抗熱沖擊性能。

        激光重熔可以在一定程度上改善涂層表面形貌、組織結(jié)構(gòu),從而提高涂層的抗熱沖擊性能。但是,激光快速加熱時熔化區(qū)溫度很高,周圍表面溫度較低;冷卻時,熔化區(qū)中心冷卻較慢,周邊冷卻較快,極易形成較大的溫度梯度,在涂層內(nèi)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,所以必須多次實驗,合理優(yōu)化激光重熔參量。盡管如此,熱應(yīng)力只能一定程度上降低而難以完全消除。

        3 結(jié)論

        (1)等離子噴涂涂層表面較粗糙,層間分界明顯,存在大量孔隙、裂紋等缺陷,呈物理機(jī)械結(jié)合,涂層易剝落;激光重熔涂層表面光滑平整,組織均勻致密,涂層質(zhì)量明顯改善,層間結(jié)合面處一定程度上實現(xiàn)了冶金結(jié)合,提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度;經(jīng)過激光重熔,陶瓷層的片層狀堆積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹ЫM織。

        (2)激光重熔可以有效降低熱膨脹系數(shù)不匹配引起的失配應(yīng)力,同時提高表面質(zhì)量,起到封孔作用,提高涂層抗高溫氧化性能,從而提高了涂層的抗熱沖擊性能。激光重熔熱障涂層的抗熱沖擊循環(huán)次數(shù)為94次,遠(yuǎn)高于等離子噴涂涂層的32次。

        (3)激光重熔工藝可以改善涂層微觀組織結(jié)構(gòu),提高涂層抗熱沖擊性能,在延長軋輥使用壽命方面有著良好的應(yīng)用前景。

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