閆祖鵬，張世宏，溫永紅，劉俠，薛召露

（1.安徽工業(yè)大學現(xiàn)代表界面工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

大氣等離子噴涂是熱噴涂技術(shù)的一項重要工藝方法，該技術(shù)在航空航天和石油化工等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1]。大氣等離子噴涂是采用非轉(zhuǎn)移型等離子弧作為熱源將噴涂粉末加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并以很高的速度噴射到預處理的基體表面形成涂層[2]。相較其它熱噴涂工藝方法，大氣等離子噴涂具有可噴涂材料范圍廣、工藝過程控制精確、生產(chǎn)效率高、對基材熱影響小等顯著特點[3]。

Al2O3陶瓷涂層硬度高，耐磨性好；其化學性能穩(wěn)定，能耐大多數(shù)酸、堿、鹽和溶劑的腐蝕，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能[4-7]。大氣等離子噴涂是最適于噴涂Al2O3粉末的熱噴涂工藝。在國內(nèi)的文獻中，研究大氣等離子熱噴涂工藝參數(shù)對Al2O3陶瓷涂層性能影響規(guī)律的文獻較少，本文采用三因素三水平正交實驗優(yōu)化大氣等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層的制備工藝參數(shù)，采用極差和方差分析法，通過對結(jié)合強度和硬度的綜合評價，探索主氣流量、噴涂功率和送粉量三個工藝參數(shù)對涂層性能和結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。由于陶瓷涂層和金屬基體的結(jié)合強度較低[8]，故本文選用NiCrAlY作為粘結(jié)底層用以提高Al2O3陶瓷涂層與基體的結(jié)合力。

1 實驗材料與方法

1.1 涂層材料

本實驗所用陶瓷粉末為北京信中仁新材料技術(shù)公司生產(chǎn)的Al2O3粉末，其XRD物相如圖1(a)所示，主要由穩(wěn)定三方晶結(jié)構(gòu)的α-Al2O3相構(gòu)成；其SEM形貌如圖1(b)所示，粉末呈不規(guī)則的尖銳棱角狀，顆粒致密且表面光滑，粒徑大多在15-40μm 之間。

圖1 Al2O3粉末的XRD圖譜和SEM形貌Fig.1 The XRD pattern and SEM morphology of Al2O3 powder

1.2 涂層的制備及工藝

試樣基材選用UMCo-50耐熱合金，試樣尺寸為14×14×10mm，用丙酮除油后進行超聲波清洗，經(jīng)60目的棕剛玉噴砂處理，壓縮空氣壓力為0.6-0.8MPa。大氣等離子噴涂設(shè)備為Oerlikon Metco的UniCoatProTM噴涂系統(tǒng)，噴槍型號為F4MB-XL。

采用三因素三水平正交實驗設(shè)計大氣等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層的工藝參數(shù)，選擇對涂層質(zhì)量影響較大的三個工藝參數(shù)：主氣流量、噴涂功率、送粉量，各因素及每組參數(shù)對應(yīng)的簡稱見表1，噴涂距離保持100mm，載氣Ar流量為5L/min，輔氣流量H2為13L/min，噴槍移動速度為600mm/s，步距為3mm。

表1 大氣等離子噴涂Al2O3工藝參數(shù)正交實驗表Table 1 Orthogonal experimental table of technological parameters of atmospheric plasma sprayed Al2O3

1.3 性能表征

采用Bruker-D8Advance型X射線衍射儀（入射線為Cu Kα，λ=1.54178nm，Cu靶加速電壓為40KV，電流為40mA）分析粉末和涂層物相，Phenom XL型掃描電鏡觀察粉末的形貌以及涂層的表面和截面形貌。涂層的孔隙率利用圖像法來測量，在SEM 600倍下，選取5個位置拍攝工作層截面圖片，經(jīng)Image Tool 3.0軟件處理后，得到黑白相間的圖片，再用軟件測算圖片中黑點占整個圖片的百分數(shù)，每張圖片做6次重復性計算后，取30組數(shù)據(jù)的平均值進行分析。涂層的顯微硬度由HV-1000維氏硬度計來測量，載荷為300gf，加載時間15 s，每組樣品在不同的位置上測試8次，取平均值進行分析。涂層的結(jié)合強度按照GB/T8642-2002制備Φ25×50mm的拉伸試樣，由WDW-50微機控制電子萬能試驗機進行測試，拉伸速度為2mm/min，采集斷裂時的最大結(jié)合強度，取平均值進行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 涂層物相分析

圖2為Al2O3粉末與正交實驗涂層的XRD圖譜。從圖2可知，正交實驗涂層的物相中γ-Al2O3的衍射峰較強，α-Al2O3的相對較弱，說明涂層的物相主要由亞穩(wěn)態(tài)的γ-Al2O3和少量的穩(wěn)態(tài)α-Al2O3兩相構(gòu)成。這是由于在大氣等離子噴涂過程中，γ-Al2O3的形核壁壘能量低于α-Al2O3，在快速的冷卻過程中涂層組織以γ-Al2O3的結(jié)構(gòu)形核凝固，未完全熔融的α-Al2O3顆粒則以穩(wěn)態(tài)α-Al2O3相存在于涂層中[9,10]。

圖2 粉末與正交實驗涂層的XRD圖譜Fig.2 The XRD spectra of powder and orthogonal experimental coatings

2.2 涂層的截面微觀結(jié)構(gòu)

圖3為正交實驗的Al2O3陶瓷涂層的截面形貌，由圖可知，NiCrAlY粘結(jié)層與基體結(jié)合界面基本連續(xù)完整，未出現(xiàn)較多的孔隙、裂紋。Al2O3工作層與NiCrAlY粘結(jié)層的界面結(jié)合處形成不規(guī)則的交錯咬合，結(jié)合方式為機械結(jié)合[11]。Al2O3工作層未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但存在較多較小的孔隙，這是由于無數(shù)變形扁平的Al2O3粒子相互交錯堆積并疊加產(chǎn)生的搭橋效應(yīng)而形成的[2]。

圖3 正交實驗涂層的截面形貌：(a)A1B1C1；(b)A1B2C2；(c)A1B3C3；(d)A2B1C2；(e)A2B2C3；(f)A2B3C1；(g)A3B1C3；(h)A3B2C1；(i)A3B3C2Fig.3 Cross-sectional morphology of orthogonal experimental coatings:(a)A1B1C1, (b)A1B2C2, (c)A1B3C3, (d)A2B1C2, (e)A2B2C3, (f)A2B3C1, (g)A3B1C3, (h)A3B2C1, (i)A3B3C2

2.3 涂層的孔隙率

表2為正交實驗的Al2O3陶瓷涂層的孔隙率值，不同工藝參數(shù)的孔隙率值在4.21%-6.28%之間，其中A2B2C3和A2B3C1兩種工藝得到的涂層孔隙率較低，分別為4.21%和4.34%。

2.4 實驗分析

涂層的力學性能與涂層的服役壽命緊密相關(guān)，主要包括涂層的結(jié)合強度和硬度[12]。故本實驗采用極差分析法（又稱R法）[13]處理結(jié)合強度和硬度數(shù)據(jù)，以結(jié)合強度和硬度綜合考量涂層的力學性能，使得工藝優(yōu)化后的涂層力學性能最佳。依據(jù)極差R的大小，判斷因素的主次，R值越大，說明該因素對實驗指標的影響越大，并且通過綜合加權(quán)評分的方式可以對涂層力學性能進行綜合評價。

表2 正交實驗涂層的孔隙率值Table2 The porosity value of orthogonal experimental coatings

綜合加權(quán)評分的公式：Yi=mi1ni1+mi2ni2+…+mijnij

其中：mij為加權(quán)系數(shù)，表示各項指標在加權(quán)評分中所占的比重，nij為實驗指標值，下標i、j表示第i組實驗的第j個指標值。兩個實驗指標的變化范圍為：

Kj(最大值與最小值的差)K1=54-31=23MPa K2=1189.0-985.5=203.5HV0.3

其中：54Mpa和1189.0HV0.3為工藝A2B2C3的結(jié)合強度和顯微硬度，31Mpa為工藝A1B1C1的結(jié)合強度，985.5HV0.3為工藝A3B2C1的顯微硬度。

令綜合評分為100分，其中結(jié)合強度和顯微硬度滿分均為50，則指標系數(shù)為：mi1=50/K1=2.173，mi2= 50/K2=0.246，表3為正交實驗評價表分析結(jié)果。

表3 正交實驗評價表分析結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment evaluation table analysis results

表4 正交實驗方差分析結(jié)果Table4 Analysis of variance of orthogonal experiments

通過正交實驗的方差可以定量分析各個因素對涂層性能的影響程度，用F值來檢驗[12]，可以補充極差分析的精確性，分析結(jié)果如表4所示。結(jié)合表3和表4可得，3個因素對涂層綜合性能的影響主次順序依次為：噴涂功率、主氣流量、送粉量，這說明噴涂功率是影響涂層結(jié)合強度和顯微硬度的主要因素，主氣流量處于次要因素，送粉量影響最小。

涂層的性能取決于涂層的結(jié)構(gòu)，而涂層的結(jié)構(gòu)受粉末粒子的熔化狀態(tài)、溫度和撞擊基體瞬間的速度等因素影響[14]。由表3可知，隨著功率的增大，結(jié)合強度、硬度和加權(quán)綜合評分出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，功率對涂層的性能影響最大，等離子的焰流溫度會隨著功率的增加而升高，粉末受到的熱量就越大，粉末熔化的就越充分。功率過大，噴涂粉末的蒸汽在涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良，導致孔隙率升高，如工藝A1B3C3，功率達到最高值48KW時孔隙率值也增大到5.35%；功率過小，溫度較低的等離子焰流會使得粉末未完全熔化，被高速噴出并堆積，導致涂層的沉積效率下降，甚至出現(xiàn)裂紋和較多的孔隙，如工藝A1B1C1，功率降低到最小值40KW時孔隙率達到最大值6.28%。

主氣流量決定著粉末進入等離子焰流的初始速度，隨著主氣流量的增加，結(jié)合強度、硬度和加權(quán)綜合評分也出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢。主氣流量過大，會使粉末穿過等離子焰流中心，出現(xiàn)“邊界效應(yīng)”[15]，導致涂層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率升高，結(jié)合強度降低；主氣流量過小，粉末的初速度變小，粉末未到達焰流中心，會使得粉末熔化不均勻，故適中的主氣流量可獲得力學性能高的、孔隙率低的Al2O3涂層。

送粉量是對涂層性能影響較小的一個參數(shù)，送粉量應(yīng)與功率和主氣流量相適應(yīng)，合適的送粉量可以使得粉末在等離子焰流中心加熱并完全熔化，并且熔融粒子在撞擊基體時可以獲得較好的速度和溫度，從而獲得致密的涂層。

優(yōu)化后的工藝為A2B2C2，即噴涂功率44KW，主氣流量40L/min，送粉量40g/min，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后制備的涂層表面和截面形貌見圖4。由圖4可知，表面形貌中未熔融的α-Al2O3彌散分布在熔融的γ-Al2O3基體中，截面致密均勻，缺陷較少，孔隙率低。涂層結(jié)合強度為52MPa，顯微硬度為1219.4HV0.3，孔隙率為4.00%，涂層的綜合評分Y=2.173×52+0.246×1219.4 =412.968，與表3進行比較可發(fā)現(xiàn)，綜合評分值最高。所以，方案A2B2C2為大氣等離子噴涂Al2O3涂層的最優(yōu)工藝。

圖4 工藝參數(shù)優(yōu)化后涂層形貌(a)表面; (b)截面Fig.4 Coating morphology after optimization of process parameters (a) surface, (b) section

3 結(jié)論

(1) α-Al2O3粉末大氣等離子噴涂制備的涂層物相由主相γ-Al2O3和少量未熔α-Al2O3兩相構(gòu)成；Al2O3工作層與NiCrAlY粘結(jié)層之間、NiCrAlY粘結(jié)層與基體之間均屬機械結(jié)合。

(2) 3個工藝參數(shù)對Al2O3涂層綜合性能的影響主次順序依次為：噴涂功率＞主氣流量＞送粉量，隨著功率和主氣流量的升高，涂層的結(jié)合強度和硬度均出現(xiàn)先增大后降小的趨勢。

(3) 最優(yōu)的大氣等離子噴涂Al2O3涂層的工藝參數(shù)為：噴涂功率44KW，主氣流量40L/min，送粉量40g/min，所制備涂層性能：結(jié)合強度為52MPa、顯微硬度1219.4HV0.3、孔隙率4.00%。