賀彥赟 詹長書 林曉暉 戚成功 呂 寧 王 攀

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

電弧噴涂是材料表面強(qiáng)化和修復(fù)的一種新技術(shù)，也是表面工程學(xué)科中的重要分支，涂層具有結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨損和耐高溫氧化等特點(diǎn)[1]，因其生產(chǎn)效率高、成本低且環(huán)保，在近40年間得到了迅速發(fā)展，特別是在汽車工業(yè)方面，為了提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性且適應(yīng)環(huán)保的需要，其已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、氣缸套、同步環(huán)、活塞環(huán),發(fā)動(dòng)機(jī)氣門挺桿以及氧傳感器探頭等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的修復(fù)[2,3]。近年來，隨著X射線衍射技術(shù)(XRD)的迅速發(fā)展，其在材料研究等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[4]。本文采用X射線衍射法(XRD)對Al2O3,NiCr-Cr3C2,TiO2復(fù)合陶瓷粉芯絲材噴涂涂層進(jìn)行了物相分析、結(jié)晶度和微觀應(yīng)變相應(yīng)研究，為復(fù)合陶瓷粉芯絲材在汽車工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

采用QD8-400型電弧噴涂系統(tǒng)進(jìn)行噴涂，噴涂材料為委托北京工業(yè)大學(xué)制造的Fe基復(fù)合粉芯線材(其配方設(shè)計(jì)見表1)，絲材外皮采用0.5 mm×12 mm的低碳鋼帶，絲材直徑為2 mm?；w材料為Q235鋼，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，噴涂前試樣用汽油或丙酮清洗，然后用棕剛玉在STR-9000型噴砂設(shè)備上進(jìn)行噴砂粗化處理。噴涂工藝參數(shù)為電壓22 V～25 V，電流200 A～300 A，噴涂距離為180 mm～220 mm，涂層厚度約為1.5 mm。

表1 粉芯絲材的配方設(shè)計(jì) %

2.2 測試條件和方法

使用 X’Pert3 Powedr型X射線衍射儀(荷蘭帕納科公司)測定衍射強(qiáng)度，其工作條件為：CuK α輻射，管壓40 kV，管流40 mA,采用θ～2θ連續(xù)掃描方式，掃描范圍：5°～80°，步長0.006 5°,掃描速度為4°/min。利用MDI Jade 6.5軟件包(USA Materials Data Inc)對獲得的XRD圖譜進(jìn)行定性分析，利用圖譜擬合法對涂層進(jìn)行結(jié)晶度和微觀應(yīng)變的相應(yīng)計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相分析

如圖1所示，其中Al2O3和TiO2陶瓷粉末在工業(yè)上主要以熔煉燒結(jié)的方法制造[5]，圖1b)的圖譜顯示，粉末中的相成分為CrC和Cr2Ni3,通常NiCr-Cr3C2為包覆型粉末，以Cr3C2為芯核材料，在芯核材料的表面包覆一層Ni金屬，利用液相包覆或固相包覆的方法生產(chǎn)，屬于混合物。圖1c)中TiO2粉末主要以金紅石相和Ti8O15等形式存在的低價(jià)氧化物，利用絕熱法求得粉末中金紅石相和Ti8O15相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.1%和63.9%，表明粉末中的主要相為Ti8O15馬格涅利相低價(jià)氧化物。

從圖2可以看出，2號(hào)涂層的主要物相為α-Fe，Al2O3和TiO2，粉芯中的Al2O3和TiO2陶瓷粉末在噴涂的過程中沒有分解，表明Al2O3和TiO2陶瓷粉末具有高熱穩(wěn)定性、高熔點(diǎn)、耐氧化等特點(diǎn)。同時(shí)，這些硬度較高的氧化物鑲嵌在涂層內(nèi)部，起到了彌散強(qiáng)化作用，提高了涂層的硬度。4號(hào)涂層的物相組成較為復(fù)雜，涂層中除了α-Fe,Al2O3和TiO2相以外，還存在FeCr2O4,NiCr2O4及Fe2TiO4等氧化物相。粉芯中的TiO2陶瓷粉末在電弧噴涂過程中與Fe形成少量的化合物，但保留了大部分TiO2相在涂層中。涂層表面生成的連續(xù)、致密的FeCr2O4復(fù)合氧化膜，對金屬內(nèi)部起到了良好的保護(hù)作用，提高了涂層的抗熱腐蝕性能[6]，粉芯中的NiCr-Cr3C2粒子在飛行過程中因表面溫度過高而分解。

3.2 結(jié)晶度分析

由圖3發(fā)現(xiàn)，1號(hào)～3號(hào)涂層都在一些特定2θ角附近都出現(xiàn)衍射峰，但不同涂層在相同衍射角出現(xiàn)的衍射峰又有一些差異，如在34°時(shí)，1號(hào)～3號(hào)涂層出現(xiàn)的衍射峰強(qiáng)度依次減弱，而峰形寬度卻依次增加，1號(hào)涂層的衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)，3號(hào)涂層的衍射峰強(qiáng)度最弱，且衍射峰最寬。物質(zhì)的結(jié)晶度越好，對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度越高，越尖銳，反之則結(jié)晶度越差。因此推測不同涂層的結(jié)晶度有所不同。

對1號(hào)～3號(hào)涂層的XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，計(jì)算涂層的結(jié)晶度數(shù)據(jù)，所得計(jì)算結(jié)果見表2～表4。

表2 1號(hào)涂層結(jié)晶度

表3 2號(hào)涂層結(jié)晶度

表4 3號(hào)涂層結(jié)晶度

結(jié)晶度表示晶體結(jié)晶的完整程度或完全程度，由計(jì)算結(jié)果可知，1號(hào)～3號(hào)涂層的結(jié)晶度平均值依次降低，說明隨著Al2O3粉末的比例增加，涂層的結(jié)晶度呈下降趨勢。這由于隨著Al2O3粉末比例的增加，Al2O3顆粒高速撞擊基體后，在快速冷卻的過程中部分熔化的Al2O3扁平顆粒在冷卻和再結(jié)晶的過程中形成非晶相[5]，從而使涂層結(jié)晶度降低。涂層中Al2O3相的存在可以使涂層的硬度顯著增加，但是隨著絲材中Al2O3粉末比例的增加，涂層的硬度并沒有顯著增加[8]，由結(jié)晶度分析是由于涂層中的Al2O3相的結(jié)晶度降低所導(dǎo)致。

3.3 微觀應(yīng)變分析

表5 涂層的微觀應(yīng)變

從表5中可以看出，4號(hào)涂層微觀應(yīng)變的平均值明顯低于2號(hào)涂層，當(dāng)涂層噴涂結(jié)束后，在涂層與基材一起冷卻凝固的過程中，由于二者線膨脹系數(shù)不一致將產(chǎn)生微觀應(yīng)變。將涂層的XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)的物相PDF卡片對比可得知，噴涂后涂層的衍射峰變寬，主要是涂層內(nèi)部產(chǎn)生了微觀應(yīng)變，Ni的加入明顯降低涂層內(nèi)的微觀應(yīng)變[8]。

4 結(jié)論

1)加入粉芯絲材中的Al2O3,TiO2和NiCr-Cr3C2陶瓷粉末，經(jīng)過電弧噴涂后與低碳鋼帶形成化合物，經(jīng)X射線衍射分析，涂層中除Fe以外，主要相仍為Al2O3和TiO2，NiCr-Cr3C2陶瓷粉末在噴涂過程中全部分解，主要與Fe化合成FeCr2O4,NiCr2O4及Fe2TiO4等氧化物相，其中的氧化物相具有硬度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，涂層可以較好的適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫、環(huán)境惡劣的特點(diǎn)。2)將涂層XRD圖譜數(shù)據(jù)擬合后進(jìn)行涂層結(jié)晶度的計(jì)算，結(jié)果表明，隨著絲材中Al2O3粉末比例的增加，涂層的結(jié)晶度依次下降，隨著絲材中Al2O3粉末比例的增加，涂層硬度值的增加并不明顯，分析可知是涂層中結(jié)晶度下降所導(dǎo)致。3)涂層的微觀應(yīng)變計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)絲材中加入NiCr-Cr3C2陶瓷粉末后，使涂層與基材的線膨脹系數(shù)差異減小，顯著降低了涂層的應(yīng)變值。