等離子噴涂電流對Cr2O3涂層微觀形貌與性能的影響

鞠少棟，馬認琦，劉傳剛，李成龍，孟金州，趙忠賢，李文戈

(1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司,天津 300452;2.上海海事大學商船學院,上海 201306)

0 引 言

等離子噴涂Cr2O3涂層具有硬度高、高溫穩定性好、耐磨性與耐腐性能良好等優點，廣泛應用于航天、機械、海洋工程等領域[1-5]。隨著海洋工程裝備技術的不斷發展，現有等離子噴涂Cr2O3涂層的質量已無法滿足服役要求，因此需進一步提高涂層的質量。涂層孔隙率是評價其質量好壞的重要指標[6-7]。噴涂粒子經加熱后呈半熔狀態堆積在基體表面，鋪展狀態的限制導致涂層的孔隙率過大，腐蝕元素可透過孔隙到達基體表面而造成界面腐蝕，從而導致涂層脫落，這嚴重限制了等離子噴涂涂層的應用范圍[8-10]。國內外學者對等離子噴涂涂層的孔隙率進行了相關研究。李力[11]研究發現，噴涂距離與涂層孔隙率成正比。夏運朝等[12]通過改變噴涂功率制備了等離子噴涂涂層，發現涂層孔隙率隨著噴涂功率的增大而減小。LI等[13]分別采用納米級和微米級噴涂材料制備涂層，對比發現采用納米級噴涂材料制備的涂層具有孔隙率低、缺陷少、結構緊湊、晶粒細小等特點。綜上可知，噴涂參數對等離子噴涂涂層孔隙率具有顯著的影響，而目前鮮見有關噴涂電流影響的報道。因此，作者采用大氣等離子噴涂技術在Q235B鋼板上制備了Cr2O3涂層，研究了噴涂電流對Cr2O3涂層微觀形貌與性能的影響，以期獲得結構與性能優異的Cr2O3涂層。

1 試樣制備與試驗方法

圖1 Cr2O3粉的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of Cr2O3 powder

基體材料為Q235B鋼板，尺寸分別為5 mm×10 mm×10 mm、5 mm×42 mm×30 mm，顯微硬度為167.82 HV，用酒精、丙酮溶液超聲清洗并烘干，利用噴砂設備對鋼板表面進行粗化處理，用壓縮空氣將其表面砂粒等殘余物清理干凈。涂層材料為Cr2O3粉，粒徑為35200 μm，純度為99.9%，微觀形貌如圖1所示，可知Cr2O3顆粒呈無規則形貌，顆粒尺寸大小不一。采用大氣等離子噴涂系統在基體上制備厚度為100150 μm的Cr2O3涂層，噴涂過程中通入氬氣與氫氣，流量分別為40,4.5 L·min-1，噴涂距離為110 mm，送粉率為30 g·min-1，噴涂電流分別為570，590，610，630，650 A。

采用Hitachi TM3030型掃描電子顯微鏡觀察涂層表面與截面微觀形貌，采用Image J軟件對涂層表面孔隙的面積進行統計，得到孔隙率。利用Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)對涂層表面物相進行分析，采用銅鈀，Kα射線，電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速率為5 (°)·min-1，掃描范圍為10°100°。采用HXD-2000TM/LCD型數字式顯微硬度計對涂層的硬度進行測試，載荷為2.94 N，保載時間為15 s，測3次取平均值。按照GB/T 5210-2006，用3M Scotch-Weld膠將直徑為20 mm的圓形錠子粘到相同面積的Cr2O3涂層上，放入烘箱中進行100 ℃×2 h固化處理，固化后采用BGD 500型數顯拉開法附著力測試儀以恒定的速度平穩加載拉力，直至錠子與涂層發生斷裂脫離，并根據斷裂情況判斷涂層的破壞類型，得到結合強度。采用Bruker-UMT Tribolab型摩擦磨損試驗機對基體和涂層的耐磨性能進行研究，磨損方式為往復磨損，試樣尺寸為25 mm×15 mm×5 mm，載荷為50 N，滑動速度為5 cm·s-1，試驗時間為600 s，對磨材料為直徑8 mm的Si3N4球，采用BrukerContourGT-K1型白光干涉儀測定磨損深度。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌

噴涂電流為570,590，610，630，650 A時，涂層表面平均孔隙率分別為5.68%，4.77%，4.26%，3.28%，2.18%。隨著噴涂電流的增加，粉體顆粒獲得的能量增大，顆粒的熔融程度增大，同時顆粒的飛行速度明顯增大，撞擊基體表面時的扁平化效果變好，因此所形成涂層的致密程度較高。以孔隙率最小(噴涂電流為650 A)和最大(噴涂電流為570 A)的涂層為例，對涂層試樣的微觀形貌進行觀察。由圖2可以看出：噴涂電流為650 A時，涂層表面平整，與基體結合緊密，孔隙較少，未發現明顯裂紋及其他雜質；噴涂電流為570 A時，涂層表面凹凸不平，涂層與基體結合較差，孔隙較多，有明顯裂紋及未熔顆粒存在。

2.2 物相組成

由圖3可以看出：噴涂電流為570 A時，涂層的物相為Cr2O3；噴涂電流為650 A時，涂層主要由Cr2O3相、Cr1.3Fe0.7O3相組成。在噴涂電流較低時，粉體顆粒因未獲得足夠的能量而未能與基體表層發生反應，因此涂層與基體的結合方式為機械結合。當噴涂電流較高時，撞擊基體的顆粒獲得足夠的能量，鉻、氧元素滲透到基體表層與鐵發生化學反應形成新的物相Cr1.3Fe0.7O3，此時涂層與基體間形成了冶金結合。

圖2 不同噴涂電流下制備得到涂層試樣的表面與截面形貌Fig.2 Surface (a-d) and cross-section (e-f) morphology of coating samples prepared at different spraying currents: (a-b) at low magnification and (c-d) at high magnification

圖3 不同噴涂電流下制備得到涂層的XRD譜Fig.3 XRD patterns of coatings prepared at different spraying currents

2.3 顯微硬度與結合強度

當噴涂電流為570，590，610，630，650 A時，涂層的平均顯微硬度分別為1 516.23，1 587.51，1 613.61，1 690.77，1 760.71 HV，基體硬度為167.82 HV。可以看出，涂層的顯微硬度均高于基體的，且隨著噴涂電流的增大，硬度增大。結合前文分析可知，涂層的孔隙率越低，致密程度越高，其顯微硬度越高。

當噴涂電流為570，590，610，630，650 A時，涂層的平均結合強度分別為15.60，16.50，17.64，19.70，23.60 MPa，主要剝離形式均為涂層-基體界面剝離。可知隨著噴涂電流的增大，涂層的結合強度增大。噴涂電流較大時，涂層的致密程度較高，顆粒與顆粒間的結合非常緊密，并且涂層與基體形成冶金結合，因此結合強度較大；噴涂電流較小時，涂層的致密程度較差，顆粒與顆粒間結合較差，涂層與基體間也只是單一的機械結合，因此結合強度較小。

2.4 耐磨性能

當噴涂電流為570，590，610，630，650 A時，涂層的平均摩擦因數分別為0.562 0，0.511 0，0.477 8，0.455 5，0.436 9，均低于基體的(0.706 2)。由圖4可知：在試驗初期，基體的摩擦因數增加幅度較大，但是在超過450 s后摩擦因數迅速減小，這是因為在摩擦過程中，大量基體脫落導致產生較多磨粒，引起摩擦因數的下降；隨著摩擦時間的延長，涂層的摩擦因數增加并最終趨于平穩，且高電流下的涂層具有最小且最穩定的摩擦因數。隨著噴涂電流的增大，涂層的孔隙率降低，顆粒間的內聚強度增大，因此摩擦因數減小。當噴涂電流為570，590，610，630，650 A時，涂層的平均磨損深度分別為0.006，0.006，0.005，0.005，0.004 mm，而基體的平均磨損深度為0.012 mm。由此可知，涂層的耐磨性能明顯優于基體的，且涂層的致密程度越高，其耐磨性能越好。

圖4 基體與不同噴涂電流下制備得到涂層的摩擦因數隨時間的 變化曲線Fig.4 Curves of friction coefficient vs time of the substrate and the coatings prepared at different spraying currents

3 結 論

(1) 隨著噴涂電流的增大，Cr2O3涂層的孔隙率減小；當噴涂電流為650 A時，涂層的孔隙率最低，僅為2.18%，涂層表面平整，與基體結合緊密，未發現明顯裂紋及未熔顆粒；噴涂電流為570 A時，涂層的物相為Cr2O3，涂層與基體的結合方式為機械結合，當噴涂電流增至650 A時，涂層主要由Cr2O3相、Cr1.3Fe0.7O3相組成，涂層與基體間形成了冶金結合。

(2) 當噴涂電流由570 A增大至650 A時，涂層的顯微硬度由1 516.23 HV升高至1 760.71 HV，結合強度由15.60 MPa增大至23.60 MPa，摩擦因數由0.562 0減小至0.436 9，磨損深度由0.006 mm減小至0.004 mm，涂層的耐磨性能變好。