工藝參數對超音速火焰噴涂Fe基非晶涂層性能的影響

楊曦，馬文，韓繼鵬，高元明，占浩，陳偉東

（1.內蒙古工業大學，呼和浩特，010051；2.內蒙古自治區薄膜與涂層重點實驗室，呼和浩特，010051；3.內蒙古自治區鍋爐壓力容器檢驗研究院，呼和浩特，010020）

0 引言

非晶態合金是一種處于熱力學亞穩態、結構無序的固體。非晶合金原子是長程無序的，不存在晶體材料通常會出現的晶界、偏析等缺陷。非晶態合金因此而具有高硬度、優良的耐磨耐腐蝕性能[1-3]，但是脆性高、塑性低限制了其應用，如能制備成一種涂層材料則可以極大拓寬其應用領域[4,5]。超音速火焰噴涂[6,7]（High Velocity Oxygen Fuel，HVOF）的出現使得制備高質量非晶涂層成為了可能。HVOF具有火焰速度快、火焰溫度低、噴涂粒子冷卻速度快等特點。一般非晶形成的條件是最大臨界冷卻速度達到106 K/s以上,而HVOF 熱噴涂可以獲得臨界冷卻速度107 K/s左右,使得多數合金成分都可在臨界速度以上噴涂而形成非晶態組織。通過HVOF噴涂制備的涂層往往比較致密、氧化物含量低、同時具有比等離子噴涂等噴涂方式更高的結合強度[8]。

Fe基非晶涂層與Ni基和Mo基非晶涂層相比，既保持了優異的耐磨、耐蝕性能[9]，又具有較高的性價比，適合在表面防護涂層領域廣泛應用，成為非晶材料的一個重要研究方向。但是，Fe基非晶合金硬度高、韌性低、可加工性較差，目前想要制備尺寸較大的塊狀Fe基非晶合金比較困難[10]。通過在工件表面制備一層Fe基非晶涂層可以有效擴展其應用領域。在Fe基非晶涂層的制備過程中，經常存在涂層非晶相含量低、致密性低、硬度低等主要問題。噴涂工藝參數對涂層的質量具有重要的影響。

本文通過HVOF制備Fe基非晶涂層，使用SEM、XRD對非晶涂層的組織結構和相組成進行表征，使用顯微硬度計測量了涂層的硬度，通過磨粒磨損實驗研究了涂層的耐磨性能，探索噴涂工藝參數與涂層微觀結構、相組成、硬度及耐磨損性能的關系。

1 實驗材料及方法

1.1 噴涂粉末

實驗選用北京福瑞克森公司生產的惰性氣體霧化法制備的Fe基非晶粉末。粉末主要由Fe、Cr、Mo三種元素組成，粉末具體成分見表1。

表1 鐵基粉末的化學成分Table 1 Chemical composition of Fe-based powder

圖1 Fe基非晶噴涂粉粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of the Fe-based amorphous spray powders

Fe基非晶噴涂粉末粒徑分布如圖1所示。粉末粒度分布比較集中，大多數粉末粒度介于30-50μm之間。圖2是Fe基非晶噴涂粉末的顯微形貌。可以看出大多數粉末呈現出非常圓潤完整的球形形狀，保證了噴涂粉末具有非常好的流動性，容易均勻送入火焰中，使噴涂粒子具有較好的熔化狀態。

圖2 Fe基非晶噴涂粉末的顯微形貌Fig.2 SEM micrographs of the Fe-based amorphous spray powders

1.2 涂層制備工藝

實驗使用的噴涂設備是Praxair公司生產的JP5000超音速火焰噴涂系統，采用航空煤油為燃料，用氧氣作為助燃劑。噴涂粉末使用AT-1200HP型送粉器進行輸送，通過徑向送粉的方式把粉末送到火焰中，送粉載氣為氮氣。

基材采用316L不銹鋼，基材尺寸50 mm ×30 mm × 2mm，噴涂前用30目棕剛玉噴砂粗化基體表面，氣體壓力為0.6-0.7MPa，然后用酒精超聲清洗。

本文中Fe基非晶涂層制備過程中可變噴涂工藝參數選取對涂層質量影響較大的煤油流量、氧氣流量、送粉速率和噴涂距離這四個參數，設計了4因素3水平共9組正交實驗，實驗過程中其它噴涂工藝參數保持不變。實驗選用的正交實驗表如表2所示。

表2 HVOF正交實驗工藝參數表Table 2 Orthogonal experimental design of HVOF

1.2 涂層的性能測試

采用X射線衍射儀(RIGAKU公司D/MAX-2500/PC型，日本)對噴涂粉末及制備的涂層進行相組成分析，測試時采用Cu Kα靶，掃描速率為3°/min。采用掃描電子顯微鏡(S-3400N,Hitachi,日本)觀察不同工藝參數下制備的涂層截面顯微形貌。制備態涂層的孔隙率采用圖像法測量，分析過程中使用Image-J軟件。

采用顯微硬度計(HXD-1000TM/LCD,上海泰明,中國)對不同工藝參數下所制備的涂層截面進行顯微硬度的測量。在硬度測量前首先試樣采用精密切割機切割，將切割后的涂層樣品采用冷鑲嵌方法鑲樣，對截面進行研磨拋光。測量過程中施加的載荷為200gf，加載時間10 s，每個樣品測量10個點，取平均值作為涂層的硬度。涂層的磨粒磨損性能采用輪式磨粒磨損試驗機（NUSIS03,SUGA,日本）進行測試。測試之前首先將涂層表面磨掉約50μm，然后進行研磨拋光。實驗選定正壓力為29.4N，對磨件為SiC砂紙（180目），往復磨損距離為24 m。實驗結束后使用丙酮超聲去除涂層的磨損殘渣并烘干后，使用精密電子天平稱量涂層磨損前后質量，確定涂層的磨損量。

2 結果與討論

2.1 涂層的物相

圖3是粉末和不同噴涂工藝制備Fe基涂層的XRD圖譜。從圖3可以看出，粉末和涂層都在40-50°之間呈現寬泛的漫散射峰，表現出完全非晶態結構，沒有觀察到氧化物的結晶峰[8]。通常情況下，涂層中較低的氧化物含量可以促使非晶相的形成并提高涂層質量[11]。通過Jade擬合XRD圖譜，得出噴涂原料粉末的非晶相含量約為99.6%，制備態涂層的非晶相含量介于95-99%。制備態涂層非晶相含量較原料粉末都有一定程度的下降，這是由于在噴涂過程中，粉末經過熔化又固化的過程中發生了部分晶化，降低了非晶相含量。王勇等采用HVOF制備了Fe基非晶涂層[12]，發現涂層中非晶相含量在70%左右，還有部分尖銳結晶峰出現，而采用甩帶法制備的Fe基非晶條帶則無明顯結晶峰。本文制備的Fe基非晶涂層非晶相含量較高，和甩帶法制備的Fe基非晶條帶的XRD圖譜相似，具有很少的尖銳結晶峰。

圖3 粉末和不同噴涂工藝制備Fe基涂層的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of the feedstock powders and as-sprayed Fe-based coatings using different spray parameters

2.2 涂層的顯微形貌

圖4是不同噴涂工藝制備Fe基非晶涂層的截面顯微形貌。制備態涂層熔化均勻，沒有發現明顯的未熔顆粒。涂層呈現熱噴涂涂層典型的層狀結構，層間出現少量孔隙，涂層和基材結合緊密沒有明顯的缺陷。

圖5 不同噴涂工藝制備Fe基涂層的孔隙率Fig.5 Porosities of the as-sprayed Fe-based coatings using different spray parameters

較低的孔隙率有利于提高涂層的耐磨、耐腐蝕性能，通過圖像法計算得出9組涂層的孔隙率。圖5為不同噴涂工藝參數制備Fe基非晶涂層的孔隙率，其中7#樣品具有最低的孔隙率1.22%。

2.3 涂層的硬度與磨粒磨損性能

圖6為不同噴涂工藝制備Fe基非晶涂層的截面顯微硬度和經過磨粒磨損的質量損失。基材316L不銹鋼的硬度為331.5HV0.2，Fe基非晶涂層的硬度介于800-1200HV0.2之間，其中7#涂層硬度最高為1158.9HV0.2。基材和涂層的磨粒磨損質量損失和硬度有明顯對應關系，硬度越低質量損失越大。7#涂層具有較好的力學性能和耐磨粒磨損性能，這主要是由于其具有較低的孔隙率。制備態Fe基非晶涂層的硬度約為316L不銹鋼基材的三倍，磨粒磨損質量損失最少約為316L不銹鋼的一半，說明Fe基非晶涂層具有較好的耐磨粒磨損性能。

圖6 不同噴涂工藝制備Fe基涂層硬度和磨粒磨損質量損失Fig.6 Microhardness and mass loss after abrasive wear of the as-sprayed Fe-based coatings using different spray parameters

2.4 工藝參數對涂層孔隙率的影響規律

根據正交實驗極差分析法，分析獲得具有最小孔隙率Fe基非晶涂層的最優制備工藝，以及制備工藝對孔隙率的影響關系。最優工藝參數與最小孔隙率的制備工藝參數相同。四種噴涂工藝參數對涂層孔隙率的影響重要程度為：送粉速率＞氧氣流量＞噴涂距離＞煤油流量。圖7是對實驗結果進行正交分析得出的噴涂工藝參數對涂層孔隙率的影響趨勢圖。發現制備態Fe基非晶涂層孔隙率隨著氧氣流量和送粉速率的增加而增加，隨著煤油流量和噴涂距離的增加而降低。

噴涂距離和送粉速率對孔隙率的影響幾乎是線性的。噴涂距離比較近時，噴涂粒子在火焰中停留時間較短，沒有經過充分加熱和加速，熔化不充分，沖擊基體形成的圓形扁平狀沉積物不能夠均勻鋪展，在層間形成了更多的孔隙。隨著噴涂距離的增加，噴涂粉末粒子得到充分加熱和加速，噴涂粒子在基體上的沉積物搭接得更緊密，形成孔隙率更低的涂層。送粉速率對涂層孔隙率的影響則是通過對粒子熔化程度的影響實現的，火焰能量密度不變情況下，單位時間內送入火焰中的粒子越多，出現更多未熔或者半熔化顆粒，導致孔隙率上升。

煤油流量和氧氣流量對于孔隙率的作用和火焰燃料和助燃劑氧氣的化學計量比有關，更高的煤油流量和更低的氧氣流量就意味著氧燃比更低，使得氧氣過量程度較小。燃料流量一定時，保證充分燃燒的情況下，助燃劑流量越低火焰溫度越高。氧氣過量程度較小可以促進火焰完全燃燒，提高火焰溫度，促使噴涂粒子熔化更好，降低了孔隙率。反之則會降低能量密度，使噴涂粒子更難熔化，孔隙率提高。本文設計的正交實驗中，實際氧氣流量都足以保證煤油充分燃燒，在這種情況下，煤油流量越高，氧氣流量越低時，涂層孔隙率越低。

圖7 不同噴涂工藝對Fe基涂層孔隙率的影響Fig.7 Effect of different spray parameters on porosity of the as-sprayed Fe-based coatings

3 結論

（1）采用HVOF制備的Fe基非晶涂層硬度均大于800HV0.2，其中7#涂層硬度最高并達到1158.9HV0.2，同時該涂層的孔隙率最低為1.22%。Fe基非晶涂層的磨粒磨損質量損失和硬度呈反比關系，涂層的質量損失可達到316L不銹鋼基材的一半，具有較好的耐磨粒磨損性能。

（2）煤油流量、氧氣流量、送粉量、噴涂距離都對超音速火焰噴涂制備的Fe基非晶涂層的孔隙率有明顯影響，影響重要順序為送粉速率＞氧氣流量＞噴涂距離＞煤油流量。其中孔隙率與氧氣流量和送粉速率的增加而增加，隨著煤油流量和噴涂距離的增加而降低。

（3）在實驗工藝范圍內，噴涂Fe基非晶涂層的最佳噴涂工藝參數為：煤油流量0.41L/min，氧氣流量830L/min，噴涂距離430mm，送粉速率40g/min。