關(guān)寧 郭燕 于陽(yáng) 趙研 夏杰

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

1 實(shí)驗(yàn)方法

304不銹鋼抗高溫氧化性能不夠，在高溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)表皮脫落現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)者設(shè)想在304不銹鋼表面制備隔熱涂層，熱障涂層是優(yōu)異的選擇。主要是因?yàn)闊嵴贤繉訜釋?dǎo)率較低、抗高溫氧化性能優(yōu)異，耐熱沖擊性強(qiáng)。但鑒于304不銹鋼基體強(qiáng)度硬度較高，嘗試?yán)脵C(jī)械力沉積綜合性能較好的硬性涂層有難度，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在其上面沉積硬性熱障涂層無(wú)法保證基體與涂層的結(jié)合力，且涂層涂覆不均勻，厚度稀疏，實(shí)驗(yàn)者決定在硬質(zhì)涂層基體上增加延性成分Al，一方面增加基體與涂層的結(jié)合力，另外一方面其遇高溫可氧化為與熱障涂層相同的相結(jié)構(gòu)。綜合考慮涂層體系選擇Al-ZrO2-Y2O3。

本實(shí)驗(yàn)采用尺寸為28 mm×16 mm×5 mm的經(jīng)過(guò)打磨過(guò)的304不銹鋼基體試樣作為基體，經(jīng)過(guò)由粗到細(xì)的砂紙打磨后置于具有一定濃度的丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，然后經(jīng)歷干燥、涂覆膠黏劑，最后將其置于對(duì)應(yīng)的球磨罐凹槽中固化24 h以上。實(shí)驗(yàn)原料為30 g的Al、ZrO2、Y2O3粉末，按質(zhì)量比為2∶6.5∶1.5進(jìn)行配比，配好后置于干燥的球磨罐中，然后密封球磨罐，反復(fù)抽真空，球料比為9∶1，球磨轉(zhuǎn)速為400 r/min，球磨采用間歇式球磨方式，球磨25 min，空冷15 min，球磨轉(zhuǎn)分別為3 h、6 h和9 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束將帶有涂層的試樣取下進(jìn)行SEM形貌及截面形貌和化學(xué)成分雙重分析，然后利用硬度儀測(cè)試顯微硬度，最后采用靜態(tài)增重法，將試樣加熱至800℃，保溫12 h而后隨爐冷卻至室溫，多次同種操作求平均值，繪制氧化速度-時(shí)間曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面形貌分析

圖1所示自左向右分別為基體、球磨3 h、6 h和9 h后的試樣圖，很明顯基體表面光滑，球磨后表層形貌和基體有較大區(qū)別，球磨后基體表層有涂層沉積，顏色隨球磨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸加深。

圖1 初步完成試樣表面圖

圖2為球磨3 h和9 h后，基體表面Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層表面形貌及微區(qū)成分分析圖，對(duì)比表面形貌結(jié)果，經(jīng)過(guò)3 h的球磨，由于磨球高速撞擊，體系能量迅速增大，基體表層有完整涂層覆蓋，但是涂層覆蓋不均勻，較疏松，而且存在顆粒僅僅機(jī)械粘附的現(xiàn)象，此階段粉末易破碎和滑落，主要是由于該階段僅為物理結(jié)合[1-3]。

圖2 涂層表面形貌及成分分析

當(dāng)球磨時(shí)間延長(zhǎng)至9 h，涂層覆蓋均勻，顆粒感不強(qiáng)，涂層發(fā)生明顯塑性變形形成均勻且致密的覆蓋層。對(duì)其微區(qū)進(jìn)行成分分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)有較多的Al沉積，這和原始成分配比不同，說(shuō)明延性較好的金屬顆粒先于脆性顆粒沉積，脆性顆粒ZrO2起初以第二相顆粒的形式附著在延性涂層上[4]，而后原始涂層發(fā)生塑性變形，在體系能量大量輸入的前提下，Al轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3，同時(shí)基體與涂層間發(fā)生原子擴(kuò)散，借助磨球的機(jī)械力作用，ZrO2和Y2O3不斷使初始涂層增厚，第二相顆粒起到增強(qiáng)相的作用，顆粒變細(xì)、涂層變致密[5-6]。

2.2 顯微硬度

圖3為不同參數(shù)下試樣顯微鏡硬度分布。當(dāng)球磨轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，球磨8 h的試樣顯微硬度的顯微硬度影響最大，顯微硬度最大值為468HV0.1為基體硬度的2.5倍，且離表層越近，硬度值越高，因?yàn)楸韺屿刂底畲骩7]。由于整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械力的持續(xù)輸入，隨體系溫度的增高，初步形成的涂層有序化降低，能量升高，利于機(jī)械混合物的形成，且延性成分提高了涂層與基體的結(jié)合力。結(jié)合圖2，不難發(fā)現(xiàn)，顆粒細(xì)化導(dǎo)致整體強(qiáng)度硬度升高[8]。

圖3 不同參數(shù)下試樣顯微硬度分布

2.3 抗高溫氧化性能

圖4為經(jīng)過(guò)800℃氧化100 h后不同參數(shù)設(shè)置下試樣氧化表面照片，從右到左為依次球磨8 h、5 h和3 h后的試樣。對(duì)比圖1，發(fā)現(xiàn)基體嚴(yán)重氧化，球磨時(shí)間越長(zhǎng)，涂層氧化和脫落現(xiàn)象越不明顯。對(duì)比其他涂層沉積方法，如電化學(xué)沉積及等離子噴涂等獲得的試樣微觀缺陷較明顯[7]，該方法成本低且熱應(yīng)力低。

圖4 不同參數(shù)下試樣氧化表面照片

圖5為不同試樣的氧化增重曲線，保持球磨速度的前提下，球磨時(shí)間越長(zhǎng)，氧化增重越不明顯，基體增重速度最快。可以判定該涂層可明顯改善基體的抗高溫氧化性能?；贛A獲得的延性熱障復(fù)合涂層不僅有實(shí)現(xiàn)性，綜合性能優(yōu)良，而且成本投入少，對(duì)設(shè)備要求低、對(duì)基體也無(wú)特殊要求。

圖5 氧化增重曲線

3 結(jié)論

（1）通過(guò)MA-機(jī)械合金化成功在304不銹鋼基體上獲得Al-ZrO2-Y2O3復(fù)合涂層；

（2）在球磨轉(zhuǎn)速固定的條件下，捕獲表面涂層的微觀組織的致密度隨球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而得到改善，表層孔洞減小，均勻性增強(qiáng)[9]。

（3）驗(yàn)證了機(jī)械力的輸入可以成功獲得延性-脆性復(fù)合涂層。