賈芳，沈婕，張康，彭浩然，冀曉鵑，盧曉亮

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強化與修復工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206）

0 引言

熱噴涂氧化鉻粉末材料可用于噴涂各種耐磨涂層部件，提高部件的耐磨性，延長其使用壽命[1-6]，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，如航空航天、石油、化工、機械、紡織和汽車等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[7-12]。在氧化鉻粉末中添加適量的氧化硅和氧化鈦所形成的氧化鉻復合粉末材料可提高氧化鉻粉末在噴涂過程中加熱熔化特性，改善氧化鉻粉末噴涂的工藝性能，提高粉末沉積效率及與基體的結(jié)合力，而且有利于提高氧化鉻涂層的斷裂韌性和后加工性能[6-9]。

目前，復合氧化鉻粉末制備方法主要有熔融破碎工藝和噴霧造粒工藝，采用噴霧造粒方法制備復合氧化鉻粉末具有良好的成分均勻性和優(yōu)異的粉末流動性。本文采用噴霧造粒-燒結(jié)的方法制備了一種球形復合氧化鉻團聚粉末，研究了團聚造粒過程中不同固含量的料漿對粉末微觀組織形貌的影響以及燒結(jié)溫度對粉末松裝密度、流動性及顆粒強度的影響。采用大氣等離子噴涂(APS)工藝制備了復合氧化鉻涂層，并對涂層的微觀組織、顯微硬度及涂層結(jié)合強度等力學性能進行研究。

1 試驗

1.1 復合氧化鉻粉末及涂層制備

采用氧化鉻、氧化硅及氧化鈦細粉原料按照設(shè)定的配比進行混合配制成料漿后進行球磨，

然后采用噴霧干燥塔將球磨后的料漿進行噴霧干燥團聚造粒，將獲得的球形團聚粉末置于高溫燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)處理，所得粉末采用機械篩分法進行粒度控制。

在噴涂復合氧化鉻涂層之前首先將基材表面打磨平整，用酒精清洗基材表面的油漬、污漬等，然后采用型號為PS-3A-8 的噴砂設(shè)備對基材進行粗化處理，噴砂壓力為0.5 MPa，噴砂處理后的表面粗糙度達到Ra 8～12。噴涂采用Metco F4 大氣等離子噴涂設(shè)備，鎳鈷鉻鋁釔底層厚度約100 μm，氧化鉻面層厚度約220 μm，等離子噴涂的工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Table 1 Plasma Spray Process Parameters

1.2 樣品結(jié)構(gòu)與性能表征

利用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi SU5000)對制備的復合氧化鉻粉末及等離子噴涂氧化鉻復合涂層的微觀組織形貌進行了分析，涂層孔隙率由Image J 分析軟件分析獲得。采用廈門群隆儀器有限公司生產(chǎn)的霍爾流速計(SK-1002)對粉末松裝密度及流動性進行了表征，采用日本島津公司生產(chǎn)的粉末顆粒強度儀(MCT-210)對復合氧化鉻粉末壓潰強度進行了測試，涂層硬度采用沃伯特測量儀器（上海）有限公司生產(chǎn)的顯微維氏硬度計(402MVATM)檢測，按照GB/T 8642 測試標準采用對偶拉伸試驗進行涂層結(jié)合強度測試，拉伸設(shè)備為上海申聯(lián)試驗機廠生產(chǎn)的萬能試驗機(WDW-100A)。

2 結(jié)果及分析

2.1 球形復合氧化鉻團聚粉末性能分析

噴涂粉末形貌、松裝密度、流動性及顆粒強度等特性對涂層微觀組織結(jié)構(gòu)及性能具有重要的影響。首先，研究了噴霧干燥團聚造粒過程中粘結(jié)劑含量對團聚粉末組織微觀形貌的影響。圖1(a)為粘結(jié)劑含量6 %時獲得的復合氧化鉻粉末的組織形貌，從圖中可以看出，部分團聚粉末已松散成不規(guī)則形貌，粉末球形度較差；當粘結(jié)劑含量增加至8 %時，如圖1(b)所示，形成的團聚粉末表面光滑，球形度良好；而繼續(xù)增加粘結(jié)劑含量至10 %時，如圖1(c)所示，粉末出現(xiàn)條狀不規(guī)則形貌，球形度變差，并且部分粉末顆粒間相互粘結(jié)。

圖1 不同粘結(jié)劑含量氧化鉻復合粉末微觀形貌：(a)粘結(jié)劑含量6%；(b)粘結(jié)劑含量8%；(c)粘結(jié)劑含量10%Fig.1 Microstructure of Cr2O3 composite powder with different content of adhesive:(a) 6% adhesive; (b) 8% adhesive; (c)10% adhesive

粘結(jié)劑在噴霧造粒過程中主要以物理吸附的形式吸附在粉體表面形成一層具有一定強度的薄膜，具有粘結(jié)原料顆粒的作用，當粘結(jié)劑含量較少時，在粉體顆粒表面形成薄膜黏附力較小，導致造粒團聚粉末內(nèi)部結(jié)合強度小容易松散，形成粉末顆粒尺寸較小并且粉末球形度較差；當粘結(jié)劑含量較高時，料漿粘性系數(shù)增大，長分子鏈相互橋連，限制了粒子間的運動，導致料漿的流動性和分散性變差，造成粉末顆粒之間相互粘連，獲得的團聚造粒粉末多為粗顆粒且形狀不規(guī)則。

噴霧造粒的團聚粉末不可避免的呈疏松的多孔結(jié)構(gòu)，并且粉末中含有粘結(jié)劑等有機物，為了去除粉末中的粘結(jié)劑等有機物，提高粉末的致密性，需要對團聚造粒的氧化鉻粉末進行了燒結(jié)工藝處理，團聚粉末通過適宜的燒結(jié)工藝可以達到使其致密的作用。燒結(jié)溫度太高，會使粉末一次顆粒急劇長大，燒結(jié)溫度太低，無法達到致密化效果。對氧化鉻團聚粉末在900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃不同溫度下分別進行熱處理后，篩分出270～500 目的氧化鉻粉末，對其流動性、松裝密度及壓潰強度進行了測試。

不同燒結(jié)溫度下氧化鉻粉末的流動性和松裝密度如圖2和圖3所示，從圖中性能結(jié)果可以看出，當燒結(jié)溫度為900 ℃到1200 ℃變化時，粉末流動時間先變長后縮短，流動性先變差再變優(yōu)，原因是較低溫度下粉末中有機物被去除粉末內(nèi)部孔隙增多，導致粉末致密度變差，隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末逐漸實現(xiàn)致密燒結(jié)，由于粉末的致密度先降低后升高，導致粉末流動性隨之發(fā)生變化。然而，當燒結(jié)溫度升高到1300 ℃時，粉末的流動性急劇變差，此時粉末不具有流動性，可能的原因是由于燒結(jié)溫度較高，復合粉末中含有低熔點的氧化硅等氧化物，使得部分粉末顆粒發(fā)生粘連，導致粉末流動性變差，當粉末燒結(jié)溫度繼續(xù)升高到1400 ℃時，粉末粘連現(xiàn)象較嚴重，粉末不具有流動性。

圖2 不同溫度下粉末流動性Fig.2 Flowability of powder at different temperatures

圖3 不同溫度下粉末松裝密度Fig.3 Bulk density of powder at different temperatures

從900 ℃至1400 ℃，隨著燒結(jié)溫度的升高，氧化鉻粉末松裝密度呈先下降后上升的趨勢，說明當燒結(jié)溫度較低時，團聚態(tài)的氧化鉻粉末中粘結(jié)劑等有機物被除去，然而此時粉末并沒有達到致密燒結(jié)的狀態(tài)，粉末中孔隙增多，粉末松裝密度降低，溫度過低，不能實現(xiàn)氧化鉻材料的致密化燒結(jié)，隨著燒結(jié)溫度繼續(xù)升高，粉末逐漸實現(xiàn)致密燒結(jié)，松裝密度逐漸增大。

粉末的顆粒強度對粉末在等離子噴涂過程中的輸送效果具有一定的影響。如果粉末顆粒強度過低，粉末在等離子噴涂過程中易發(fā)生潰散，影響噴涂的連續(xù)性，將導致噴涂涂層的均勻性下降。因此，對不同溫度熱處理粉末的顆粒強度進行了測試分析，不同溫度下粉末的顆粒強度測試結(jié)果如圖4 所示，從圖中可以看出，燒結(jié)溫度從900℃升高至1400 ℃，隨著粉末燒結(jié)溫度的升高，粉末的顆粒強度逐漸增大，從900 ℃至1000 ℃粉末顆粒強度增加幅度較大，溫度從1000 ℃升至1300 ℃過程中，粉末顆粒強度增加緩慢，從1300℃升高至1400 ℃，粉末顆粒強度具有明顯幅度的提升。

圖4 不同溫度下粉末顆粒強度Fig.4 Particle strength of powder at different temperatures

上述研究結(jié)果表明，燒結(jié)溫度達到1300 ℃，粉末不具備流動性。因此，1200 ℃熱處理的氧化鉻粉末具有較好的流動性，適宜的松裝密度和顆粒強度，綜合性能較優(yōu)。

2.2 涂層微觀組織形貌及基本力學性能分析

對1200 ℃燒結(jié)處理后的復合氧化鉻粉末采用等離子噴涂工藝進行了涂層的制備，制備的氧化鉻涂層截面形貌如圖5 所示，從圖中可以看出，涂層厚度均勻、未出現(xiàn)縱向裂紋，涂層與基體結(jié)合良好，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)致密，僅存在極少量分布不均微小空隙和微小橫向裂紋，微小空隙產(chǎn)生的原因可能是噴涂過程中引入發(fā)熱環(huán)境雜質(zhì)在快速凝固下形成的，微小橫向裂紋產(chǎn)生的原因主要是噴涂過程中行程間隔造成的不完全冶金結(jié)合，屬于正常的等離子噴涂涂層形貌。對涂層孔隙率進行了分析，涂層孔隙率為2.3%，致密的涂層結(jié)構(gòu)有利于涂層的后加工及涂層耐磨性的提升。

圖5 氧化鉻復合涂層截面形貌：(a)低倍；(b)高倍Fig.5 Cross-section morphology of chromium oxide composite coating: (a) low magnification; (b) high magnification

氧化鉻復合涂層硬度測試結(jié)果見表2 所示，涂層顯微硬度HV0.3平均值為1197.6，涂層具有較高的顯微硬度，涂層結(jié)合強度測試結(jié)果見表3所示，結(jié)合強度平均值為39.74 MPa。

表2 涂層顯微硬度測試結(jié)果Table 2 Test results of coating microhardness

表3 涂層結(jié)合強度測試結(jié)果Table 3 Test results of coating bond strength

3 結(jié) 論

本文采用噴霧造粒-燒結(jié)工藝制備了球形復合氧化鉻粉末，對復合球形氧化鉻粉末性能及等離子噴涂涂層基本性能進行了研究，主要結(jié)論如下：

(1) 采用噴霧造粒-燒結(jié)工藝制備了球形復合氧化鉻粉末，在噴霧造粒過程中，粘結(jié)劑含量為8%時，制備團聚粉末表面光滑，球形度較好。

(2) 對燒結(jié)后的復合氧化鉻粉末松裝密度、流動性及顆粒強度進行了測試分析，結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末松裝密度先下降后上升，流動時間先變長后縮短，1300 ℃以上時，粉末顆粒發(fā)生粘連導致粉末不具有流動性，粉末顆粒強度隨著溫度升高逐漸增大，燒結(jié)溫度為1200 ℃時，粉末綜合性能較優(yōu)。

(3) 1200 ℃燒結(jié)處理的復合氧化鉻粉末經(jīng)過大氣等離子噴涂沉積形成的復合氧化鉻涂層組織結(jié)構(gòu)致密，孔隙率為2.3%、結(jié)合強度均值達到39.74 MPa，涂層平均顯微硬度為1197.6 HV0.3。