等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復合涂層的組織結構與性能

姜 帆， 宮文彪， 孫楓喬

(長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

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等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復合涂層的組織結構與性能

姜 帆， 宮文彪*， 孫楓喬

(長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

采用大氣等離子噴涂(APS)技術在50 V/700 A工藝參數下制備Ni5Al-Al2O3復合涂層。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)等對涂層的組織結構進行了表征。結果表明：涂層與基體為機械結合，涂層呈層片狀結構，孔隙率為9.84%；涂層主要以亞穩相γ-Al2O3為主并含有一定量Ni-Al化合物以及Ni單質，涂層組織間的硬度存在差異。

大氣等離子噴涂(APS)； Ni5Al-Al2O3涂層； 組織結構

0 引 言

等離子噴涂是利用等離子焰流來加熱熔化噴涂粉末使之形成涂層。噴涂粉末被送粉氣載入等離子焰流，加熱至熔化或半熔化狀態，高速撞擊在經過粗化處理的潔凈零件表面產生塑性變形，粘附在零件表面[1]。由于等離子噴涂具有的高沉積效率、高結合強度，以及焰流溫度高、工藝穩定、涂層質量高等優點，使其在表面改性方面得到廣泛應用[2]。目前，在眾多噴涂材料中氧化鋁陶瓷的應用尤為突出，氧化鋁陶瓷具有高熔點、高強度以及化學穩定性好等特點，作為結構和功能材料已有較廣泛的研究。以氧化鋁為基體，摻雜不同粉末顆粒制備具有不同特性的復合材料也日益受到重視[3-7]。

文中以在Al2O3粉末中添加Ni5Al作為噴涂粉末，試驗研究了在50 V/700 A條件下制得的Ni5Al-Al2O3復合涂層的組織結構。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗原料與涂層制備

噴涂的基體材料采用Q235鋼，試板尺寸為15 mm×10 mm×6 mm，涂層材料采用北京廊橋表面技術發展有限公司生產的Al2O3和Ni5Al粉末，粒度范圍為-200~+325 目。采用不添加磨球的球磨機進行機械混合的方法獲得Al2O3和Ni5Al混合粉末，其中Al2O3的質量分數為85%。噴涂前對基體進行除油、噴砂處理，具體噴涂參數見表1。

表1 等離子噴涂Ni5Al-Al2O3復合涂層工藝參數

1.2 涂層性能表征

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察涂層截面和噴涂粉末形貌，用D-MaxIIA型X射線儀對涂層進行組織結構分析，掃描范圍為20°~100°，掃描步長為0.05°。

1.3 涂層孔隙率測定

采用維恩金相分析系統來測定等離子噴涂涂層的孔隙率，試驗選取5個涂層的截面測定孔隙率，取平均值作為涂層的孔隙率。

1.4 顯微硬度測試

采用FM700型顯微硬度計在研磨拋光的涂層截面和基體上進行顯微硬度測量，載荷為100 g，加載時間15 s。由于等離子噴涂涂層為交錯疊加的層片狀結構，成分和組織分布不均勻，并存在一定的孔隙，測量的硬度值存在一定的起伏[8]。為此，本試驗在試樣的黑灰色組織(A)、白色組織(B)和基體上測量不同的5個點，分別取其平均值。

2 結果與分析

2.1 粉末特征

噴涂粉末SEM顯微組織如圖1所示。

(a) Al2O3 粉末

(b) Ni5Al粉末

(c) Ni5Al-Al2O3混合粉末

從圖1(a)中可以看出，Al2O3原始粉末顆粒棱菱角分明，粉末粒度比較均勻；圖1(b)中的Ni5Al粉末粒度相對較小,為大顆粒的長橢圓狀。圖1(c)為采用機械混合方法制備的Ni5Al-Al2O3混合粉末，小顆粒的Al2O3被夾雜在大顆粒的Ni5Al顆粒中，可以看出密度相差較大的兩種粉末經機械混合后分布的比較均勻。

2.2 涂層顯微結構特征

50 V/700 A參數下制備的涂層如圖2所示。

(a) 涂層形貌

(b) 涂層放大形貌

圖2是在噴涂參數為50 V/700 A條件下獲得的涂層截面形貌，涂層厚度約為450 μm。熔化及軟化的噴涂粒子經過等離子焰流的高溫和高速撞擊,在經過凈化和粗化處理的凹凸不平的基材表面，熔化和變形的混合顆粒冷凝收縮后與基體表面的凹凸處機械咬合在一起，通過“拋錨效應”結合在一起形成涂層[8]。圖2(b)是圖2(a)涂層的放大形貌，從圖中可以觀察到，涂層中未熔化的Al2O3陶瓷顆粒較少，可見在較高的噴涂電流條件下，經過等離子焰流的粉末熔化得比較完全。處于熔化或半熔化狀態下的粉末顆粒高速撞擊到基體后出現扁平化效應，在后續顆粒的擠壓作用和快速冷卻的條件下以扁平狀堆積形成層片狀結構[9-10]。

2.3 涂層孔隙率

孔隙率是指試樣中孔隙體積所占涂層的比率，它主要用來評定涂層的致密性，是衡量涂層質量的重要指標之一。文中采用維恩金相分析系統測得在50 V/700 A條件下所獲得涂層的平均孔隙率為9.84%。

涂層中的孔隙主要來源于兩個方面，一是涂層由熔化變形的粉末顆粒逐層堆疊形成，變形的粉末顆粒在堆疊的過程中不能夠完全重疊，特別是溫度和速度較低的粉末顆粒變形不充分，更容易產生堆疊不致密，從而形成孔隙；另外一個原因是熔融狀態的粉末顆粒內部溶解有一定量的氣體，在涂層的形成過程中，粉末顆粒由液態變為固態，隨著溫度不斷的下降，氣體在粉末顆粒內的溶解度降低，氣體不斷地從液相中析出。而變形粉末顆粒的固化又是一個快速凝固的過程，當析出的氣體來不及從粉末顆粒內部逸出的時候，便保留在變形粉末顆粒內而形成孔隙。

2.4 涂層顯微硬度

涂層顯微硬度如圖3所示。

圖3 涂層顯微硬度

圖中黑灰色的組織標記為A，白色的組織標記為B，分別在A、B兩種組織和基體上測試顯微硬度，各測試5個點，并計算出不同組織的硬度平均值。經計算黑灰色的組織(A)平均硬度為858 HV，白色組織(B)的平均硬度為348 HV，基體平均硬度為231 HV。A和B兩種組織出現硬度差異應該和涂層的組織結構有關。在本試驗參數條件下，涂層中白色組織(B)的硬度均遠高于黑灰色組織(A)的硬度。

結合XRD分析如圖4所示。

圖4 涂層XRD分析結果

涂層中包括Al2O3(主要以亞穩定相γ-Al2O3存在)[11]，Ni5Al3以及Ni的單質。因此，硬度高的白色組織(B)應為γ-Al2O3陶瓷，黑灰色的組織(A)應為Ni和Ni-Al的化合物。

3 結 語

1)利用等離子噴涂技術制得的Ni5Al-Al2O3復合涂層組織較為致密，涂層呈現出明顯的層片狀結構，涂層與基體為機械結合；

2)復合涂層的組織為亞穩的γ-Al2O3、部分分解產生的Ni的單質和Ni-Al化合物；

3)復合涂層的孔隙率為9.84%，涂層中不同的組織間硬度存在較大的差異，與組織的組成和孔隙有關。

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Study on microstructure and properties of
Ni5Al-Al2O3coating by plasma spraying

JIANG Fan, GONG Wenbiao*, SUN Fengqiao

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The Ni5Al-Al2O3composite coatings were deposited by air plasma spraying (APS) technology with the parameter of 50 V/700 A. The microstructure and properties of the composite coatings were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The results show that the composite coatings and the substrate is mechanical combination, and the porosity is 9.84%. With the parameter of 50 V/700 A, the composite coatings show clearly lamellar structure. The composite coatings mainly contain metastable phase γ-Al2O3and a certain amount of Ni-Al compound and Ni elemental. There is a difference between the hardness of the composite coatings microstructure.

air plasma spraying (APS); Ni5Al-Al2O3composite coating; microstructures.

2015-09-30

吉林省科技廳科技發展計劃項目(20100454)

姜 帆(1987-)，男，漢族，吉林吉林人，長春工業大學實驗師,長春工業大學碩士研究生，主要從事等離子噴涂工藝研究,E-mail:jiangfan@ccut.edu.cn. *通訊作者：宮文彪(1966-)，男，漢族，吉林梅河口人，長春工業大學教授，博士，博士生導師，主要從事材料連接和熱噴涂方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.6.04

TG 174.453

A

1674-1374(2015)06-0613-04