張雨生，由曉明，何箐

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 北京 100083；2. 北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司, 北京 100083）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)向高推重比、高熱效率的方向持續(xù)發(fā)展[1]，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件需要耐受更高的燃?xì)鉁囟?，以推重比?0的航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，渦輪前溫度高達(dá)1950 K，通過(guò)氣膜孔冷卻技術(shù)可降低葉片表面溫度約500 K[2]，然而這也超過(guò)了先進(jìn)單晶高溫合金的最高使用溫度，因此必須在葉片表面制備熱障涂層用來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的使用溫度[3]。

等離子物理氣相沉積(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD)是最新的熱障涂層技術(shù)[4-6]，它兼具傳統(tǒng)大氣等離子噴涂(Atmosphere Plasma Spraying, APS)和電子束物理氣相沉積(Electron Beam-Physical Vapor Deposition, EBPVD)制備技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，除具有非視線沉積的繞鍍性外，與EB-PVD 相比，效率更高且制備的涂層具有低熱導(dǎo)率、長(zhǎng)壽命且成本適中的優(yōu)點(diǎn)，因此PS-PVD 技術(shù)已成為目前熱障涂層領(lǐng)域最具前景的研究方向之一[7-10]。PS-PVD 技術(shù)對(duì)粉體的要求較高，顆粒粒徑較大氣等離子噴涂所使用的粉體顯著降低(D50 由30～70 μm 降低至約8～15 μm)，粉體在高溫高速的超低壓等離子射流中，制備的熱障涂層要求具有柱狀晶/類柱狀晶/準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)，因而需要粉體能快速被氣化且以高比例氣相為主復(fù)合沉積。為了實(shí)現(xiàn)粉體在等離子射流高溫區(qū)達(dá)到快速蒸發(fā)[11,12]，粉體的粒徑、物理特性、微結(jié)構(gòu)特征、壓潰強(qiáng)度等特性對(duì)熱障涂層的沉積行為有至關(guān)重要的影響，其中，粉體壓潰強(qiáng)度是指粉體顆粒抵抗外力作用下存在發(fā)生壓潰的極限載荷，可以用于表征粉體在高速射流中剪切力作用潰散效果。

Antonyuk[13]等測(cè)試了單個(gè)球形顆粒所承受的壓力，并描述了顆粒的變形和破碎情況，研究了不同彈性和塑性的材料球形顆粒的變形破碎機(jī)理。Yoshida[14]等使用一個(gè)微米尺度與被測(cè)顆粒大小相當(dāng)?shù)钠教箟侯^，避免了壓板和載物基材的直接接觸，成功的測(cè)量了單個(gè)亞微米顆粒的壓潰強(qiáng)度。Hiramatsu 和Oka[15]對(duì)不規(guī)則的物體在集中載荷的作用下的應(yīng)力進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)分析。Chivavibul[16]等采用三種不同的納米粉并通過(guò)不同的燒結(jié)方式制備了不同壓潰強(qiáng)度的粉體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著粉體壓潰強(qiáng)度的增加，熱噴涂WC-Co 涂層的沉積速率明顯增加，同時(shí)涂層孔隙率有了明顯的提升。目前對(duì)粉體壓潰強(qiáng)度的研究主要集中在測(cè)定熱噴涂粉體壓潰強(qiáng)度及其對(duì)工藝適配性影響，對(duì)PS-PVD 用的小粒徑團(tuán)聚粉體的壓潰強(qiáng)度及其相關(guān)規(guī)律的研究較少。本文系統(tǒng)開(kāi)展了PS-PVD粉體壓潰強(qiáng)度測(cè)試方法研究，進(jìn)一步評(píng)價(jià)了PSPVD 粉體的壓潰強(qiáng)度，并結(jié)合不同特性粉體的沉積行為進(jìn)行了分析，深入探究了粉體特性對(duì)壓潰強(qiáng)度及沉積行為的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 壓潰強(qiáng)度測(cè)試分析

壓潰強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度是對(duì)團(tuán)聚體強(qiáng)度最重要的表征[17]，壓潰強(qiáng)度概念來(lái)源于粉末冶金領(lǐng)域，是指通過(guò)施加徑向力而測(cè)定的未燒結(jié)的或燒結(jié)的環(huán)形試樣（制品）的破裂強(qiáng)度。對(duì)于球形團(tuán)聚粉體或團(tuán)聚燒結(jié)粉體而言，其壓潰強(qiáng)度表征了團(tuán)聚球形粉體整體的潰散強(qiáng)度，其測(cè)試過(guò)程如圖1(a)所示，單個(gè)顆粒被放置于兩個(gè)平行的板（壓錘和載物臺(tái)）之間，通過(guò)施加一個(gè)緩慢增加的作用力P，直到粉體顆粒失效破碎。

此時(shí)粉體顆粒的壓潰強(qiáng)度通過(guò)如下公式(1)進(jìn)行計(jì)算[18]：

其中，a=2.48，Cs為壓潰強(qiáng)度，P為測(cè)試壓力，d為粉體的直徑。

本文通過(guò)微小壓縮試驗(yàn)機(jī)（MCT-210，日本島津）進(jìn)行壓潰強(qiáng)度的測(cè)定。微小壓縮試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)定壓錘與粉體接觸過(guò)程中施加的力和壓錘行進(jìn)的位移，形成壓力-位移曲線，按式(1)計(jì)算壓潰強(qiáng)度，典型測(cè)試過(guò)程和曲線如圖1 所示。本次實(shí)驗(yàn)中涵蓋每種粉體的整個(gè)粒徑范圍，以5 μm 為一個(gè)粒度區(qū)間，保證每個(gè)粒徑區(qū)間有效數(shù)據(jù)大于等于5 個(gè)，每種粉體壓潰強(qiáng)度有效數(shù)據(jù)20～30 個(gè)，最終結(jié)果取算術(shù)平均值。

圖1 粉體的壓潰強(qiáng)度測(cè)試及載荷-位移曲線示意圖：(a) 壓潰強(qiáng)度測(cè)試示意圖；(b)典型的載荷-位移曲線[18]Fig.1 Crushed strength test of powder and schematic diagram of load-displacement curve:(a) schematic diagram of the crushing strength test; (b) typical load-displacement curve[18]

1.2 實(shí)驗(yàn)粉體材料制備

采用噴霧干燥方法制備所需粉體，分別選用了不同原料、粘結(jié)劑制備料液，料液固含量40%～60%，其余相關(guān)參數(shù)如表1 所示，以制備的JL-11NP 粉體(北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司，1～20 μm)作為測(cè)試研究對(duì)象，其中原料2 納米級(jí)顆粒團(tuán)聚后再次分散造粒。

表1 JL-11NP 粉體的種類及原料組成Table 1 JL-11NP powder type and raw material composition

1.3 涂層PS-PVD 沉積實(shí)驗(yàn)

采 用 大 功 率PS-PVD 設(shè) 備（Medicoat，瑞士）制備涂層，主要工藝參數(shù)如下，凈功率：～60 kW，電流：2000A，送粉載氣：10 slpm，單側(cè)送粉，送粉速率：5 g/min，噴涂距離：1000 mm。采用石墨作為基體材料，噴槍固定位置噴涂。

1.4 性能表征

粉體的粒度分布采用激光粒度分析儀（Topsizer，珠海歐美克儀器有限公司）測(cè)定。粉體的壓潰強(qiáng)度采用微小壓縮試驗(yàn)機(jī)（MCT-210，日本島津）進(jìn)行測(cè)定與分析，上述粉體的表面形貌、截面形貌以及沉積涂層的表面、截面形貌特征通過(guò)掃描電鏡（Phenom Pro X，美國(guó)FEI）進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 粉體基本特性分析

粉體的表面形貌和截面形貌如圖2、3 所示。上述不同粉體均為團(tuán)聚粉體，粉體均為球形、近球形顆粒和細(xì)小破碎、不規(guī)則顆粒組成，從粉體截面形貌來(lái)看，不同原料組合和粘結(jié)劑粉體的松散程度存在差異，JL-11NP(C)和JL-11NP(D)由于是單一粗顆粒粉體團(tuán)聚而成，粉體中的孔隙率相對(duì)較高，其余添加不同尺度納米粉體的團(tuán)聚粉體，致密程度略提高，JL-11NP(A～E)由于原材料組成不同，表面均為存在細(xì)小孔隙的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，除JL-11NP(E)存在較多不規(guī)則顆粒外，其余粉體球形度較高。添加熱塑性粘結(jié)劑的JL-11NP(C)粉體表面出現(xiàn)絮狀粘連。

圖2 各類粉體的表面形貌：(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)Fig.2 Surface morphologies of various powders:(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)

圖3 各類粉體的截面形貌：(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)Fig.3 Cross-section morphologies of various powders:(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)

在粘接劑類型和含量相同時(shí)，D 的表面開(kāi)孔率高于A，同時(shí)E 表面不規(guī)則顆粒的含量顯著高于A，這與納米團(tuán)聚的直徑和粒度分布特征有關(guān)，當(dāng)粉體添加納米團(tuán)聚時(shí)，粉體孔隙率降低，由于細(xì)小納米團(tuán)聚的添加，填充了大顆粒間隙，同時(shí)細(xì)小納米團(tuán)聚的內(nèi)聚力增大，使得粉體的球化率和致密度相對(duì)提高，但同時(shí)，添加過(guò)小的納米團(tuán)聚時(shí)粗顆粒與納米團(tuán)聚的不同粒度分布和內(nèi)聚力的不均勻性使得E 表面不規(guī)則顆粒的含量較高。

不同粉體的粒度分布特征如表2 所示。其中粉體粒度分布以Dx 表示，Dx 指小于此粒徑數(shù)值的粉體顆粒數(shù)量累計(jì)分布占粉體總數(shù)量的百分比。其中粉體的D10 為3～6 μm，JL-11NP(C)粉體的粒度范圍相對(duì)較寬且中值粒徑最大；其余幾種粉體的中值粒徑D50 在6.5～7.5 μm 之間。從粉體粒度分布中可以看出，熱固性粘結(jié)劑粉體隨著粉體中添加的納米團(tuán)聚粒徑的減小，粉體的粒度降低，球形度變差。細(xì)小的納米團(tuán)聚粉體內(nèi)聚力大，較大的內(nèi)聚力導(dǎo)致粉體粒徑降低。

2.2 PS-PVD 粉體壓潰強(qiáng)度測(cè)試

PS-PVD 粉體采用納米團(tuán)聚細(xì)球形粉體(1～30 μm)，能夠以氣-固-液三相復(fù)合氣相沉積為主高效沉積出高隔熱、長(zhǎng)壽命的準(zhǔn)柱狀/類柱狀結(jié)構(gòu)涂層。粉體的壓潰強(qiáng)度和粉體微結(jié)構(gòu)特征、粉體的熱處理?xiàng)l件均相關(guān)，本文選用粉體均未經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚?，這從均有粘結(jié)劑殘留可得知。團(tuán)聚燒結(jié)粉體或致密度較高的粉體由于存在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程，通常其壓潰強(qiáng)度較高，在外力作用下形變能力較弱且團(tuán)聚體內(nèi)顆粒滑移能力較差，相對(duì)容易潰散，測(cè)得準(zhǔn)確的壓潰強(qiáng)度。對(duì)于松散團(tuán)聚粉體顆粒，通常在設(shè)定最大加載載荷和加載速率（載荷速率隨時(shí)間增大）的不同條件下，顆粒經(jīng)過(guò)加載前期的內(nèi)部粒子滑移-壓實(shí)-潰散過(guò)程，想要測(cè)得松散粉體的壓潰強(qiáng)度，需要避免松散顆粒處于持續(xù)壓實(shí)狀態(tài)，設(shè)定合理的加載載荷和加載速率。

當(dāng)壓錘的加載速率較高時(shí)，壓錘的位移速度相應(yīng)較快，團(tuán)聚粉體變形過(guò)快，導(dǎo)致顆粒滑移充分至壓實(shí)狀態(tài)無(wú)法潰散；過(guò)慢的加載速率會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體內(nèi)顆粒緩慢滑移，載荷緩慢上升進(jìn)一步使團(tuán)聚體內(nèi)顆粒持續(xù)滑移，導(dǎo)致難以達(dá)到粉體外力潰散的程度。兩種情況都難以出現(xiàn)明顯的壓潰曲線和粉體潰散點(diǎn)。設(shè)定的最大加載載荷要能保證粉體壓潰，在較慢的加載速率下，較小的最大加載載荷能減少測(cè)試所需時(shí)間，因此最大加載載荷的設(shè)定應(yīng)在能使粉體壓潰的前提下設(shè)置的盡可能小即可。

如圖4(a)是典型PS-PVD 粉體在不同最大加載載荷(20 mN～1000 mN)和不同加載速率設(shè)定下的典型載荷-位移曲線（此時(shí)壓錘的加載速率2.96 mN/s 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置），從圖中可以看出壓潰點(diǎn)的位置均出現(xiàn)在載荷≤30 mN 的位置。最大載荷設(shè)置進(jìn)一步增大時(shí)，容易出現(xiàn)粉體的持續(xù)加載壓縮，如圖5 所示。據(jù)此分析，在相同的最大加載載荷設(shè)定下(30 mN)，控制壓錘不同的加載速率時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓錘速率在0.40 mN/s 時(shí)，粉體壓潰點(diǎn)明顯，如圖4(b)所示。不同加載速率下產(chǎn)生的粉體壓潰圖，如圖6 所示。因此對(duì)于PS-PVD 松散團(tuán)聚粉體，選擇測(cè)試條件為最大加載載荷30 mN，加載速率0.40 mN/s，后續(xù)測(cè)試均以此最大加載載荷和加載速率為測(cè)試參數(shù)。

圖4 典型PS-PVD 粉體不同加載載荷和速率下力-位移曲線：(a)不同最大加載載荷下力-位移曲線(加載速率2.96 mN/s)；(b) 不同加載速率下力-位移曲線(最大加載載荷30 mN)Fig.4 Load-displacement curves of typical PS-PVD powders under different loading loads and loading rates:(a) force-displacement curves under different maximum loading loads (loading rate: 2.96 mN /s);(b) force-displacement curves at different loading rates (maximum loading 30 mN)

圖5 加載速率為2.96mN/s 不同最大加載載荷下粉體壓潰圖：(a) 最大加載載荷30 mN；(b) 最大加載載荷100 mNFig.5 Powder crushing diagram under different loading loads at loading rates of 2.96 mN/s:(a) maximum loading 30 mN; (b) maximum loading 100 mN

圖6 最大加載載荷為30 mN 下的不同加載速率粉體壓潰圖：(a) 加載速率為1.02 mN/s；(b) 加載速率為0.40 mN/sFig.6 Powder crushing diagram under different loading rates at loading load of 30 mN:(a) loading rate 1.02 mN/s; (b)loading rate 0.40 mN/s

2.3 不同粉體的壓潰強(qiáng)度大小

不同粉體典型壓潰狀態(tài)形貌如圖7 所示，潰散狀態(tài)的好壞通過(guò)粉體壓潰后的形貌狀態(tài)來(lái)判定，其中，壓潰后粉體出現(xiàn)與壓潰主體不相連的部分，且出現(xiàn)不相連的粉體部分越多，表明粉體的潰散狀態(tài)越好。其中JL-11NP(D)和JL-11NP(E)粉體的壓潰后呈現(xiàn)潰散狀，壓潰曲線中壓潰點(diǎn)明顯。其他粉體的粉體壓潰狀態(tài)易呈密實(shí)狀態(tài)。

圖7 不同粉體壓潰前后形貌：(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)Fig.7 Morphology of different powders before and after crushing:(a) JL-11NP(A); (b)JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)

粉體的壓潰強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與典型壓潰曲線如圖8 所示，不同粉體潰散時(shí)加載載荷在1～20 mN，粉體壓潰強(qiáng)度存在明顯的差異，JL-11NP(E)的壓潰強(qiáng)度最高，平均為146.44 MPa，JL-11NP(D)粉體的壓潰強(qiáng)度次之，平均為108 MPa，JL-11NP(A)和JL-11NP(B)的壓潰強(qiáng)度相近，為60 MPa 左右，熱塑性粘結(jié)劑粉體JL-11NP(C)的壓潰強(qiáng)度最低，平均為40 MPa。

圖8 粉體的壓潰強(qiáng)度與典型壓潰曲線：(a) 粉體的壓潰強(qiáng)度；(b) 實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的粉體的典型壓潰曲線Fig.8 Crushing strength and typical crushing curve of powders:(a) crushing strength of the powder; (b) typical crush curve of the powder measured in the experiment

2.4 粉體壓潰強(qiáng)度的影響因素

壓潰強(qiáng)度大小和粉體原料、粘結(jié)劑、粒徑、微結(jié)構(gòu)等均直接相關(guān)。JL-11NP(C)和JL-11NP(D)的壓潰強(qiáng)度相差較大，說(shuō)明粘結(jié)劑的種類對(duì)粉體壓潰強(qiáng)度有明顯影響，熱固性粘結(jié)劑固化后的脆性會(huì)提高粉體的壓潰強(qiáng)度，而粘結(jié)性強(qiáng)的塑性粘結(jié)劑，會(huì)阻礙團(tuán)聚粉體內(nèi)部顆粒滑移，在團(tuán)聚體壓縮過(guò)程中顆粒間粘結(jié)劑會(huì)逐步被顆粒間剪切力撕裂，直至潰散。從JL-11NP(A)和JL-11NP(B)粉體壓潰強(qiáng)度差距可以看出過(guò)多的熱固性粘結(jié)劑含量使粉體的壓潰強(qiáng)度降低，可能是因?yàn)榇嘈哉辰Y(jié)劑含量升高使納米粉體之間的脆性粘結(jié)劑的含量增大，在受到外力時(shí)，連接納米粉和微米級(jí)顆粒之間的粘結(jié)劑會(huì)首先失效，壓潰強(qiáng)度降低。閻權(quán)[19]研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱固性粘結(jié)劑對(duì)碳石墨材料機(jī)械強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳石墨材料的機(jī)械強(qiáng)度隨熱固性粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而上升，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1/3 時(shí)材料的強(qiáng)度開(kāi)始下降，他認(rèn)為熱固性粘結(jié)劑過(guò)多時(shí)本身較低的強(qiáng)度和過(guò)多分解產(chǎn)生的大量空隙是降低機(jī)械強(qiáng)度主要原因。對(duì)比JL-11NP(A)、JL-11NP(D)、JL-11NP(E)粉體，粘結(jié)劑類型和含量相同，不同原料和顆粒尺度的組合會(huì)對(duì)粉體的壓潰強(qiáng)度產(chǎn)生影響，添加或采用細(xì)小的納米原料會(huì)提高粉體的壓潰強(qiáng)度。納米粉顆粒在形成大顆粒團(tuán)聚的時(shí)候，細(xì)小的納米粉體會(huì)填充粗顆粒間隙，減小粉體的內(nèi)部滑移，同時(shí)粒徑越小的納米粉與粘結(jié)劑的接觸面積越大，除此之外，細(xì)小的納米顆粒張力會(huì)越大，產(chǎn)生粉體的內(nèi)聚力更大，團(tuán)聚粉體的壓潰強(qiáng)度會(huì)更高。

同種類粉體粒徑大小對(duì)粉體的壓潰強(qiáng)度有明顯影響，五種粉體的壓潰強(qiáng)度隨粒徑的變化關(guān)系如圖9 所示，粉體的壓潰強(qiáng)度基本隨粉體粒徑的增大而減小，但壓潰強(qiáng)度隨粒徑降低的速率并不相 同， JL-11NP(B)、JL-11NP(C)、JL-11NP(D)的壓潰強(qiáng)度隨粒徑增大而下降的速度較為穩(wěn)定，JL-11NP(C)、JL-11NP(D)壓潰強(qiáng)度下降的速度較快，JL-11NP(A)、JL-11NP(E)在各個(gè)粒徑區(qū)間中壓潰強(qiáng)度的下降速度相差較大。壓潰強(qiáng)度隨粉體粒徑變化趨勢(shì)與粉體原料、粘結(jié)劑類型與含量以及形成的微結(jié)構(gòu)特征相關(guān)。其中JL-11NP(C)與JL-11NP(D)，由同一種原料團(tuán)聚而成，內(nèi)聚依靠粗粒徑原料間的粘結(jié)劑作用，原料與粘結(jié)劑相近的接觸面積使粉體原料的內(nèi)聚力相近，粉體壓潰強(qiáng)度的下降速度穩(wěn)定且較快。與JL-11NP(D)相比，JL-11NP(C)使用的粘性較強(qiáng)的熱塑性粘結(jié)劑，導(dǎo)致壓潰強(qiáng)度的下降速度與JL-11NP(D)相比略有下降。粉體JL-11NP(A)、JL-11NP(B)、JL-11NP(E)為亞微米級(jí)粗尺寸顆粒和兩種納米粉原料分別團(tuán)聚而成，由兩種原料團(tuán)聚形成粉體的壓潰強(qiáng)度下降速度變化較單一性粉體更為復(fù)雜?？赡苁且?yàn)椴煌N類粉體中微米級(jí)顆粒與納米粉形成的團(tuán)聚顆粒的大小和含量不同的緣故。由粉體的截面形貌可以看出，團(tuán)聚形成粉體JL-11NP(A)顆粒中，小顆粒分布均勻，隨著粉體粒徑的增大，粉體顆粒內(nèi)部中出現(xiàn)較大的顆粒團(tuán)聚體，粉體粒徑進(jìn)一步增大后，粉體中大顆粒比重降低，因此JL-11NP(A)壓潰強(qiáng)度隨粉體粒徑增加而下降的速度不同，在JL-11NP(E)粉中，納米粉顆粒結(jié)合較為緊密，基本沒(méi)有單獨(dú)微小顆粒的出現(xiàn)，但不同粒徑的粉體之中顆粒之間的疏松度不同，粒徑較小的粉體結(jié)合越緊密，隨著粉體的粒度增大，粉體之間出現(xiàn)空隙，但隨粉體粒徑繼續(xù)增大粉體空隙變小，因此粉體的壓潰強(qiáng)度會(huì)隨粒徑的增大出現(xiàn)如圖所示情況變化。對(duì)比JL-11NP(A)、JL-11NP(B)粉體可以發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)劑的含量對(duì)粉體壓潰強(qiáng)度下降速度有明顯影響，粘結(jié)劑含量增大，壓潰強(qiáng)度下降速度降低且變得更穩(wěn)定，可能是含量高的粉體顆粒間粘結(jié)劑首先壓縮脆裂，緩和了兩種不同粉體中團(tuán)聚顆粒大小和含量不同造成的下降速度的變化。

圖9 粉體壓潰強(qiáng)度與粒徑關(guān)系Fig.9 Relationship between crushing strength and particle size powders

2.5 粉體的沉積行為研究

在本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)五種粉體進(jìn)行噴涂沉積實(shí)驗(yàn)，并對(duì)粉體沉積速率進(jìn)行了測(cè)量，其中粉體的沉積速率測(cè)定方法為在一定時(shí)間內(nèi)噴涂涂層的厚度與送粉速率之間的比值，通過(guò)測(cè)量可知JL-11NP(D)的沉積速率最高，JL-11NP(E)次之，JL-11NP(C)的沉積速率最低。通過(guò)沉積速率與粉體壓潰強(qiáng)度建立關(guān)系，如圖10 所示，從中可以看出粉體的壓潰強(qiáng)度對(duì)涂層的沉積速率有明顯影響，同一類的粉體的沉積速率隨著壓潰強(qiáng)度的升高而升高。強(qiáng)度較高、潰散狀態(tài)好的JL-11NP(D)和JL-11NP(E)粉體蒸發(fā)率高，因此沉積速率較高。反之，壓潰強(qiáng)度較低，潰散效果較差的JL-11NP(C)沉積速率較低。這可能是因?yàn)椴煌胶蛪簼?qiáng)度的粉體在射流的不同位置并且發(fā)生潰散的程度不同繼而影響蒸發(fā)速率的結(jié)果。鄧子謙[20]等通過(guò)對(duì)等離子射流中粒子狀態(tài)和分布的研究發(fā)現(xiàn)，粒子的尺寸越小，慣性越小，徑向速度減小的越快，所以尺寸較小的粒子可能難以穿過(guò)射流中心。反之，尺寸較大的粉體可能穿過(guò)射流中心甚至穿過(guò)射流。HE[21]等通過(guò)對(duì)噴涂過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)涂層材料、粒子尺寸變化與運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，涂層顆粒在進(jìn)入噴槍之后會(huì)首先被分解為尺寸較小的、可達(dá)亞微米級(jí)的顆粒，這使得涂層材料更易蒸發(fā)。因此，粒徑較大的JL-11NP(C)粉體可能穿過(guò)了束流中心，且由于潰散效果較差，粉體難以蒸發(fā)，導(dǎo)致沉積速率較低，同時(shí)影響了沉積效果，形成了層狀涂層。

圖10 粉體沉積速率與壓潰強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between powder deposition rate and crushing strength

從沉積后的表面形貌(圖11)和斷面形貌(圖12)可以看出，JL-11NP(C)粉形成了致密層狀涂層。JL-11NP(A)、JL-11NP(B) 粉體形成了準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)，表面出現(xiàn)了完整的“菜花頭”結(jié)構(gòu)，柱狀間隙中填滿了液相甚至未融化的固相填充物。JL-11NP(D)、JL-11NP(E)粉體形成了完整的“菜花頭”結(jié)構(gòu)的同時(shí)，羽狀結(jié)構(gòu)較為完整，涂層柱狀間隙中的未熔融顆粒明顯減少。不同類型粘結(jié)劑和粉體在射流中的位置是形成不同沉積效果的主要原因。HE[21]等通過(guò)仿真說(shuō)明了噴槍內(nèi)部的溫度分布情況，射流分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，粉體從低溫區(qū)進(jìn)入射流，低溫區(qū)邊界溫度較低，未達(dá)到熱固性粘結(jié)劑和熱塑性粘結(jié)劑的分解點(diǎn)溫度，粉體進(jìn)入射流首先受到射流沖擊力。熱固性粘結(jié)劑和熱塑性粘結(jié)劑的不同物理特性，使得粉體在受到?jīng)_擊力時(shí)潰散效果不同。熱固性粘結(jié)劑粉體受到射流沖擊力時(shí)，由于粉體內(nèi)應(yīng)力大、抗沖擊強(qiáng)度低、脆性大等物理特性，粉體易潰散成尺寸較小的粉體顆粒，易于蒸發(fā)。熱塑性粘結(jié)劑形成的粉體受到射流的沖擊力時(shí)，由于粉體本身韌性高、抗沖擊強(qiáng)度好，導(dǎo)致粉體變形潰散不完全或潰散顆粒較大，粉體難以蒸發(fā)，涂層以液相沉積為主。ANWAAR[22]等人通過(guò)計(jì)算說(shuō)明了粉體在60 kW 的功率下，粉體需要潰散至1.5 μm 左右可完全氣化。JL-11NP(C)使用熱塑性粘結(jié)劑，粉體顆粒在射流中潰散不完全或潰散顆粒大，除此之外，通過(guò)噴涂束斑可知，粉體進(jìn)入射流后未到達(dá)焰流中心，相對(duì)較低的射流溫度和較大的粉體顆粒使得粉體難以蒸發(fā)，最終被熔為液滴，液滴到達(dá)基體之后，高速撞擊使其扁平化并層層堆疊，形成層狀結(jié)構(gòu)。扁平顆粒的夯實(shí)作用以及少量氣相的填充使得涂層的孔隙率很低。JL-11NP(A)、JL-11NP(B)粉體使用熱固性粘結(jié)劑，粉體的潰散效果較好，同時(shí)，粉體可以直接到達(dá)射流中心，粉體在射流中蒸發(fā)率較高，因此沉積結(jié)果以氣相沉積為主，未能完成氣化甚至未完全熔化的部分較大顆粒填充柱狀間隙中，最終形成準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)。JL-11NP(D)、JL-11NP(E)粉體更好的潰散效果使粉體在射流中破碎潰散成為粒度更細(xì)小的顆粒，氣化程度進(jìn)一步提高，涂層沉積形成了完整的柱狀結(jié)構(gòu)，涂層中的未熔融顆粒明顯減少，涂層以氣相沉積為主，形成了準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)。

圖11 各類粉體沉積的表面形貌：(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)Fig.11Surface morphology of various powders deposition:(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)

圖12 各類粉體沉積的截面形貌：(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)Fig.12The section morphology of various powders deposition:(a) JL-11NP(A); (b) JL-11NP(B); (c) JL-11NP(C); (d) JL-11NP(D); (e) JL-11NP(E)

3 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了PS-PVD 松散團(tuán)聚粉體壓潰強(qiáng)度表征方法，并測(cè)得五種細(xì)小團(tuán)聚粉體的壓潰強(qiáng)度；系統(tǒng)分析了PS-PVD 松散團(tuán)聚粉體的壓潰強(qiáng)度影響因素，并建立壓潰位移與粉體特征的關(guān)聯(lián)規(guī)律；進(jìn)一步對(duì)不同壓潰強(qiáng)度的粉體對(duì)沉積行為的影響進(jìn)行探討，結(jié)論如下：

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最大加載速度設(shè)置為0.4038 mN/s、最大加載力設(shè)置為30 mN 時(shí)，可有效測(cè)得粉體的壓潰強(qiáng)度，JL-11NP(E)粉體的壓潰強(qiáng)度最高，平均值為146.44 MPa。壓潰強(qiáng)度較高的JL-11NP(D)、JL-11NP(E)粉體在壓潰過(guò)程中潰散現(xiàn)象明顯，壓潰強(qiáng)度較低的其他粉體在壓潰過(guò)程中呈現(xiàn)比較密實(shí)的“餅狀”。

(2)制備態(tài)粉體壓潰強(qiáng)度的大小與粉體原料、粘結(jié)劑、粒徑、微結(jié)構(gòu)等均直接相關(guān)。熱固性粘結(jié)劑粉體的壓潰強(qiáng)度整體略高于采用熱塑性粘結(jié)劑粉體的壓潰強(qiáng)度，但熱固性粘結(jié)劑含量進(jìn)一步提升后強(qiáng)度略有降低；對(duì)粉體壓潰強(qiáng)度影響最大的是原始粉體的晶粒度，添加一定含量的納米粉體，顯著增大粉體的壓潰強(qiáng)度(JL-11NP(E))。粉體的壓潰強(qiáng)度大小與粉體的粒徑有關(guān)，隨著粉體粒徑增加，粉體的壓潰強(qiáng)度呈現(xiàn)逐步降低趨勢(shì)，這一趨勢(shì)和原料、粘結(jié)劑、粉體微結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。

(3)涂層的沉積速率和沉積效果與粉體的壓潰強(qiáng)度明顯相關(guān)，涂層的沉積速率與粉體壓潰強(qiáng)度呈正相關(guān)，隨著粉體壓潰強(qiáng)度的增加，涂層的沉積速率增加。粉體的潰散效果和沉積效果與壓潰強(qiáng)度呈正相關(guān)，壓潰強(qiáng)度在一定的范圍內(nèi)，粉體的壓潰強(qiáng)度越高，涂層越易形成類柱狀晶結(jié)構(gòu)。