熱處理工藝對HOVF制備磁致伸縮涂層組織及性能的影響*

戚青麗，沈功田，鄭 陽，潘晴川，黃松嶺

(1. 中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029； 2. 清華大學(xué) 電機(jī)系 北京 100084)

0 引 言

基于磁致伸縮材料的焦耳效應(yīng)，其在驅(qū)動(dòng)器、換能器以及傳感器等領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用[1-2]。磁致伸縮導(dǎo)波是一種新型的無損檢測技術(shù)[3]，具有檢測范圍大、能實(shí)現(xiàn)非接觸檢測，適應(yīng)高溫腐蝕等惡劣環(huán)境下工作，其換能效率雖然低于壓電傳感器，但是其高檢測精度仍然能滿足絕大多數(shù)的檢測需求，而磁致伸縮材料是導(dǎo)波傳感器的關(guān)鍵元件。目前應(yīng)用比較廣泛的磁致伸縮帶材導(dǎo)波傳感器是通過粘接劑將帶磁致伸縮材粘貼在被檢測試件上，但是在高溫等惡劣環(huán)境下粘接劑容易失效，不能實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測，并且受磁致伸縮帶材韌性的限制不適用于大曲率、不規(guī)則復(fù)雜構(gòu)件的檢測[4-7]。為了改善磁致伸縮帶材導(dǎo)波傳感器監(jiān)測成本高、適用對象具有局限性這一難題，近年來，國內(nèi)外的研究單位通過噴涂技術(shù)在待檢測試件上沉積磁致伸縮涂層，并進(jìn)行導(dǎo)波檢測[8-11]，結(jié)果表明磁致伸縮涂層導(dǎo)波可以適用于大曲率、不規(guī)則部件的無損檢測，且克服了帶材導(dǎo)波檢測對耦合劑的依賴。

截止目前，有關(guān)磁致伸縮涂層導(dǎo)波的相關(guān)文獻(xiàn)國內(nèi)外雖已有報(bào)導(dǎo)，但是有關(guān)磁致伸縮涂層的進(jìn)一步研究卻很少。

因此，本文研究熱處理工藝對磁致伸縮涂層的組織和性能的影響，基于Fe-Ga磁致伸縮材料具有磁機(jī)械耦合效應(yīng)高、低場敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)[12-14]，本文選擇Fe-Ga作為實(shí)驗(yàn)材料，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備Fe-Ga涂層，并研究退火過程中，F(xiàn)e-Ga涂層的微觀組織演變和性能變化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 涂層制備和熱處理工藝

采用氣霧化法制備Fe83Ga17磁致伸縮粉末[15]，基于超音速火焰噴涂技術(shù)(HOVF)結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性好、硬度高、孔隙率低的特點(diǎn)[16-17]，通過HOVF技術(shù)制備Fe-Ga涂層，研究500 μm厚Fe-Ga涂層熱處理過程中的微觀組織及性能演變。將涂層樣品封在3.04×10-4Pa氬氣氣氛的石英管中，在箱式爐中分別隨爐升溫到300 、400 、500、600和700 ℃保溫1 h，水淬冷卻至室溫。

1.2 涂層組織及性能表征

退火態(tài)Fe-Ga涂層樣品經(jīng)過機(jī)械打磨和拋光后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析涂層的微觀組織變化，并使用Image-Pro?Plus軟件計(jì)算涂層的平均孔隙率。在面積為4 mm×3 mm掃描區(qū)域，捕獲電子背散射衍射(EBSD)花樣，并通過EBSD對涂層的反極圖(IPF)和取向分布函數(shù)圖(ODF)進(jìn)行分析，進(jìn)而對退火過程中Fe-Ga涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行定性分析。基于Bragg(布拉格)方程，利用X射線衍射儀(XRD)分析退火過程中Fe-Ga涂層的相結(jié)構(gòu)變化。利用JDAW-2011磁致伸縮測試儀，通過電阻應(yīng)變片法，沿平行于涂層平面方向施加外加磁場，測量退火態(tài)Fe-Ga涂層的磁致伸縮系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積態(tài)Fe-Ga涂層的微觀組織和相結(jié)構(gòu)

圖1(a)表示粒徑為30～50 μm Fe-Gaa氣霧化粉末的SEM形貌。可以看出，粉末顆粒表面光滑，具有良好的球形度，在噴涂過程中具有良好的流動(dòng)性。圖1(b)和(c)為Fe-Ga涂層的表面形態(tài)和微結(jié)構(gòu)，涂層由層狀結(jié)構(gòu)、未熔化的顆粒(見圖1(b)的頂部插圖)、不同形狀的孔隙、裂縫和一些氧化物等其他雜質(zhì)組成。在噴涂過程中，小顆粒完全熔化，而一些未完全熔化的大顆粒與基底碰撞并變成橢圓形，這些變形的大顆粒在沉積到基底時(shí)被熔融的顆粒包裹，如圖1 (c)中的箭頭所示，因此層狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)取決于粉末的熔化狀態(tài)。由于顆粒與基體之間存在溫差(約100～200 ℃)，顆粒會(huì)迅速凝固并與基體結(jié)合。在顆粒的邊界和涂層與基材的界面處也可以觀察到裂紋和孔隙，可能是由于在快速凝固過程中，粉末顆粒和基體之間存在錯(cuò)配產(chǎn)生殘余應(yīng)力造成的。

圖1 Fe-Ga粉末和涂層的SEM形貌圖Fig 1 SEM morphologies of Fe-Ga powder and coating

涂層孔隙率采用Image-Pro?Plus軟件進(jìn)行計(jì)算，圖像分析的詳細(xì)過程和機(jī)制可以參考[18]。如圖1(d)所示，F(xiàn)e-Ga涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，有大量部分熔化和完全熔化的顆粒組成，導(dǎo)致孔隙的出現(xiàn)，并且孔隙率數(shù)據(jù)分布比較分散。因此從Fe-Ga涂層的橫截面SEM圖中，隨機(jī)選取20張放大1000倍的微觀組織圖，采用Image-Pro?Plus軟件對涂層內(nèi)部的孔洞和裂紋等缺陷進(jìn)行標(biāo)記，最后統(tǒng)計(jì)多張SEM圖的孔隙率取平均值，得到Fe-Ga涂層的平均孔隙率大概小于1.6%。

圖2 (a)表示Fe-Ga涂層橫截面的SEM圖像；(b)是與(a)對應(yīng)的EBSD掃描圖像，其中(100)、(110)和(111)分別表示晶粒的取向Fig 2 (a) SEM micrograph showing cross-section of Fe-Ga coating and (b) the corresponding EBSD scanned image. Where (100), (110) and (111) indicates grains orientation, respectively

圖2(a)為Fe-Ga涂層橫截面的SEM圖。涂層經(jīng)過拋光、打磨后，在濃度為10%的硝酸酒精溶液中侵蝕10～20 s。部分熔化的顆粒表面出現(xiàn)了晶界和類似晶界的褶皺，表明粉末顆粒為多晶顆粒，噴涂過程中，高速粒子撞擊基底快速凝固導(dǎo)致顆粒發(fā)生變形，內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力。為分析Fe-Ga涂層內(nèi)部的應(yīng)力和取向性，獲取涂層橫截面的EBSD菊池花樣，如圖2(b)所示，熔化顆粒的邊部黑色為采集盲區(qū)，高速粉末顆粒撞擊基體引起的變形導(dǎo)致顆粒內(nèi)部晶粒細(xì)化、大小不均勻。

2.2 退火態(tài)Fe-Ga涂層的相結(jié)構(gòu)

圖3為不同溫度退火后，F(xiàn)e-Ga涂層的X射線衍射圖譜以及(110)衍射峰的局部放大。如圖3(a)和(b)所示，不同退火溫度下Fe-Ga涂層均具有(110)、(200)和(211)的三強(qiáng)衍射峰，隨著溫度從300 ℃提高到700 ℃，涂層仍保持高溫相A2不變，無有序相出現(xiàn)，表明Fe-Ga涂層熱處理過程中未發(fā)生相變，保持無序的體心立方結(jié)構(gòu)(A2相)，這是因?yàn)樗浯慊鹛幚硎雇繉涌焖倮鋮s保持A2相。圖3(a)中XRD圖譜(110)衍射峰峰位隨退火溫度的升高從44°左右位置向更高的衍射角度偏移，這與退火過程中涂層內(nèi)部應(yīng)力的釋放有關(guān)，有研究表明電化學(xué)方法生長的ZnO薄膜，其(002)衍射峰對應(yīng)的衍射角隨退火溫度的升高向更高的角度偏移[19-20]。

圖3 不同退火溫度下Fe-Ga涂層的XRD衍射圖譜(a)以及(110)衍射峰的局部放大(b)Fig 3 XRD diffraction patterns of Fe-Ga powder at different annealing temperatures, and the partial magnification of the (110) diffraction peaks

2.3 退火態(tài)Fe-Ga涂層的微觀組織演變

不同退火溫度下Fe-Ga涂層的微觀組織變化如圖4(a)-(d)所示。涂層由粉末顆粒堆積的層狀結(jié)構(gòu)組成，分析涂層橫截面的EBSD微觀組織，顆粒邊緣的盲區(qū)標(biāo)記為黑色，在IPF圖中，<001>、<110>和<111>分別表示晶體學(xué)方向。因?yàn)樵诔练e過程中，粉末顆粒與基體或其他顆粒發(fā)生碰撞，如圖4(a)所示，沉積態(tài)涂層中顆粒出現(xiàn)一定的變形。圖4(b)-(d)表明在300～500 ℃退火處理后，少量變形晶粒發(fā)生了局部回復(fù)，當(dāng)退火溫度升高到600 ℃時(shí)，晶粒中的變形組織發(fā)生明顯地回復(fù)，說明晶粒內(nèi)部局部應(yīng)力釋放，部分晶粒出現(xiàn)回復(fù)和再結(jié)晶，如圖4(e)所示。進(jìn)一步提高退火溫度到700 ℃，晶粒內(nèi)部的變形組織消失，應(yīng)力完全釋放，發(fā)生了完全地回復(fù)和再結(jié)晶。

圖4 不同退火溫度下Fe-Ga涂層橫截面的IPF圖(a)沉積態(tài)；(b)300 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃；(e)600 ℃；(f)700 ℃；反極圖中的(100)、(110)和(111)代表不同的晶粒取向Fig 4 IPF images obtained from the cross-section of the Fe-Ga coating at different annealing temperature(a) as-deposited, (b) 300 ℃, (c) 400 ℃, (d) 500 ℃, (e) 600 ℃, (f) 700 ℃. (100)、(110)和(111) in the IPF image represent different crystal orientation

2.4 退火態(tài)Fe-Ga涂層磁致伸縮性能

圖5為不同退火溫度下Fe-Ga涂層磁致伸縮系數(shù)隨磁場的變化曲線。沉積態(tài)Fe-Ga涂層的磁致伸縮系數(shù)是28×10-6左右，對應(yīng)地磁致伸縮飽和磁場接近111.44 kA/m。當(dāng)退火溫度為300～400 ℃時(shí)，磁致伸縮系數(shù)增加，400 ℃退火后為32 ×10-6。隨著退火溫度的逐漸升高，700 ℃退火后，磁致伸縮系數(shù)達(dá)46 ×10-6，對應(yīng)地飽和磁場接近19.9 kA/m。退火過程中磁致伸縮變化有兩方面原因。

首先，退火后采用水淬冷卻使Fe-Ga涂層保持高溫A2相，無其他新相形成，隨退火溫度的升高，晶粒發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸釋放，原子有序度提高，所以磁致伸縮系數(shù)增加。其次，磁致伸縮的飽和磁場隨退火溫度的升高而減小，這可能與殘余應(yīng)力的釋放、缺陷或原子有序程度有關(guān)，在外加磁場作用下，磁疇的旋轉(zhuǎn)變得更加容易，從而降低了磁致伸縮飽和場。因此，適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砉に嚳梢愿纳拼胖律炜s性能，對制備高性能材料具有一定的指導(dǎo)意義。

圖5 不同退火溫度下Fe-Ga涂層磁致伸縮隨磁場的變化Fig 5 Magnetostrictive curves for Fe-Ga coatings annealed at different temperatures

3 結(jié) 論

針對磁致伸縮導(dǎo)波監(jiān)檢測技術(shù)存在的監(jiān)測成本高、檢測對象局限性的問題，提出在被檢測試件上沉積磁致伸縮涂層的方法，進(jìn)而研究熱處理過程中Fe-Ga涂層的相結(jié)構(gòu)、微觀組織變化和磁致伸縮性能，得出如下結(jié)論：

(1)沉積態(tài)Fe-Ga涂層結(jié)合致密，具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，平均孔隙率小于1.6%，具有單一的A2相結(jié)構(gòu)。

(2)300～700 ℃退火過程中，水淬退火使Fe-Ga涂層保持單一的A2相結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部的變形晶粒逐漸發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，殘余應(yīng)力逐漸釋放，700 ℃退火后，發(fā)生完整地再結(jié)晶。

(3)退火態(tài)Fe-Ga涂層在外磁場的作用下，磁致伸縮系數(shù)逐漸增加，對應(yīng)地飽和磁場逐漸降低，700 ℃退火后磁致伸縮達(dá)46×10-6，飽和磁場接近19.9 kA/m。