超音速火焰噴涂制備Cr2AlC涂層組織性能分析

何艾

摘 要： 超音速火焰噴涂是一種高速火焰噴涂技術，發展于上世紀80年代，具有良好的噴涂質量，Cr2AlC涂層應用該技術制備時，可獲得良好的組織性能。本文即在介紹超音速火焰噴涂技術基礎上，以實驗方式分析了其制備的Cr2AlC涂層的組織性能。

關鍵詞： 超音速火焰噴涂；Cr2AlC涂層；組織性能

前言：迄今為止，在MIX類化合物中，被認為具有最好的抗氧化性能的化合物即為Cr2AlC、Ti2AlC，因其高溫條件下的抗氧化性能及穩定性十分突出，吸引了大量學者研究其以抗氧化保護涂層的方式應用到高溫領域。目前，工業領域制備涂層時，最常用方法為超音速火焰噴涂，該方法制備出來的涂層具有較低的孔隙率、較高的界面結合強度，在碳化物涂層制備中非常適用。

1超音速火焰噴涂技術介紹

超音速火焰噴涂技術屬于熱噴涂技術，發明者為Browing（美國），發明時間為1981年。噴槍為該技術的核心設備，構成為燃燒室、Laval噴嘴、等截面長噴管，煤油等液體經小孔進入燃燒室，霧化作用下混合氧氣，被點燃，氣相反應強烈發生，反應產物在燃燒熱能刺激下劇烈膨脹，此時Laval噴嘴約束流經的膨脹氣流，使超音速高溫焰流形成，噴涂材料被焰流加熱加速，高強度、致密的結合基體表面，形成涂層[1]。超音速火焰噴涂技術具有非常高的火焰速度，但相對具有較低的溫度，為300℃左右，噴涂過程中，可有效抑制WC-Co系硬質合金的分解，從而提高涂層的結合強度及致密性，并增強涂層的耐磨損性能，使其耐磨損性能相當于爆炸噴涂層。

2超音速火焰噴涂制備Cr2AlC涂層的組織性能實驗分析

2.1制備Cr2AlC涂層

Cr2AlC化合物粉末制備方法為粉末冶金燒結法，以Cr粉、C粉、Al粉作為原料，原料配比采用2：1.2：1。以瑪瑙球作為介質球磨原料粉末混合物，共進行12h。利用真空燒結爐實施粉末冶金燒結，真空度1×10-2Pa，燒結過程劃分為低溫段和高溫段兩個階段，低溫段時，溫度由室溫升高到630℃，升溫緩慢進行，速度控制為10℃/min，達到目標溫度后維持2h；高溫段時，溫度由630℃升高到1350℃，升溫快速進行，速度20℃/min，達到目標溫度后維持2h。燒結后，利用高能球磨破碎粉末，涂層制備過程中使用的粉末粒度選擇2種：40～48μm、-40μm，制備方法為超音速火焰噴涂。

2.2性能測試和表征

測量Cr2AlC粉末的氧、C含量時，方法分別選擇惰性氣體脈沖紅外熱導法、高頻燃燒紅外法。分析粉末及涂層的相結構時，儀器采用X′Pert PRO MPD型X射線衍射儀，以Cu靶作為陽極靶，電壓、電流設置為40kV、40mA，掃描速度8°/min，掃描步長0.02°，每步進行20s停留。線切割噴涂試片，變為小試樣，規格5mm×5mm×10mm，以樹脂鑲樣作為樣品界面，研磨操作利用金相砂紙逐級進行，達到1200目后停止，表面利用1.5μm金剛石拋光液拋光，腐蝕處理后，觀測樣品，儀器為掃描電鏡、光學顯微鏡。涂層斷層組織形貌觀察儀器為場發射掃描電鏡，并利用配套能譜儀開展能譜分析。應用金相樣品開展顯微硬度測試，涂層表面顯微硬度測試采用顯微硬度計。

2.3組織性能分析

2.3.1粉末和涂層相結構分析

粉末相含量確定后，通過定量分析，將粉末中Cr2AlC單向含量計算出來，結果顯示超過98%，Al2O3為第二相，含量則不超過2%。Cr2AlC粉末中，氧含量、C含量測定結果分別為1.56%、8.23%。球磨混料過程中，Al自身會發生氧化，再加上高溫制備Cr2AlC粉末期間也會發生氧化，使粉末含有氧；而C含量基本一致于Cr2AlC的化學配比。粉末微觀組織經掃描電鏡觀察，結果顯示，具有均勻的顆粒尺寸，分布分散程度較高，團聚現象不存在。綜合上述分析，Cr2AlC化合物粉末利用真空燒結法制備時，特點為具有較高的單相純度、顆粒均勻的分散，與Cr2AlC涂層應用超音速火焰噴涂法制備的要求相符合。涂層制備后，XRD分析結果顯示，盡管粉末粒度不同，但具有基本相同的相組成。

2.3.2涂層微觀組織結構

根據涂層截面金相照片，涂層厚度均超過200μm，具有均勻的微觀組織，內部結構緊密性非常強，裂紋并未明顯的存在。利用“灰度法”統計涂層的孔隙率，粉末粒度為40～48μm時，孔隙率6.9%左右；粉末粒度為-40μm時，孔隙率4.4%左右。觀察涂層截面形貌圖發現，超音速噴涂形貌特征明顯存在：扁平化層狀堆疊在熔融顆粒高速沖擊下形成，原因是飛行粒子在噴涂過程中會高速撞擊基體，使粒子變為扁平化，并在基體上焊扎；同時，堆垛孔隙、橫向裂紋等存在于涂層中[2]。能譜分析結果顯示，區域具有較深顏色的，與Cr2AlC化學計量比大致符合，而具有較淺顏色的則明顯具有較低的Al含量，與涂層XRD結合發現，Cr7C3衍射峰現象存在，推斷Cr7C3化合物由淺色區域部分Cr2AlC分解形成。

2.3.3涂層的顯微硬度

顯微硬度測試時，每個樣品的測試點隨機選擇5個，測試結果顯示，具有較為集中的顯微硬度值，大范圍波動現象并不存在，這說明，涂層具有均勻的組織，內部較少存在孔隙。同時，分別分析不同粒度粉末制備的涂層，發現40～48μm粒度的涂層平均顯微硬度值低于-40μm粒度涂層，參照孔隙率測試結果可知，與40～48μm粒度涂層相比，-40μm粒度涂層具有更高的致密度，也反映出粉末粒度會一定的影響涂層的致密度。

結論：Cr2AlC涂層利用超音速火焰噴涂法制備時，其相結構基本一致于Cr2AlC粉末，氧化現象并不會明顯的出現在噴涂的粉末中，粉末粒度越小情況下，越能提高涂層的致密度。

參考文獻

[1]楊思澤.超音速火焰噴涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂層耐沖蝕性能研究[J].風機技術，2017，59（02）：66-70.

[2]門向東，陶鳳和，甘霖，等.超音速火焰噴涂Cr3C2-NiCr與WC-Co涂層高溫結合性能研究[J].人工晶體學報，2015，44（07）：2005-2010.