大气等离子喷涂不同粉末在不锈钢基体上沉积行为的研究.pdf

收稿日期‐‐：２０１３０３０４作者简介：杨焜‐（１９８４），男，土家族，湖北利川人，工程师，博士．第７卷第３期材料研究与应用Ｖｏ１．７，Ｎｏ．３２０１３年９月ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳｅｐｔ．２０１３文章编号‐‐‐：１６７３９９８１（２０１３）０３０１６２０６大气等离子喷涂不同粉末在不锈钢基体上沉积行为的研究杨焜１，邓畅光１，刘敏１，福本昌宏２１．广东省工业技术研究院（广州有色金属研究院），广东广州５１０６５０；２．日本国立丰桥技术科学大学，爱知丰桥４４１８５８０摘要：采用大气等离子喷涂，将直径为数十微米的Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ和Ｆｅ粉末沉积在经镜面抛光后的ＳＵＳ３０４不锈钢基体上．通过对粉末颗粒沉积物的正面和截面形貌的观察，探讨了不同粉末材料颗粒的热喷涂沉积行为．结果表明，Ｃｕ和Ｆｅ熔滴在不锈钢基体上均有明显的溅射沉积，这两种颗粒沉积物的形貌各异；Ａｌ熔滴在基体表面有轻微溅射，而Ｔｉ熔滴为规则的盘状沉积，沉积物上可见明显的裂纹．关键词：大气等离子喷涂；粉末材料；沉积物形貌中图分类号：ＴＧ１７４．４４２文献标识码：Ａ热喷涂技术广泛应用于国民生产和国防建设领域．热喷涂的涂层是由粉末颗粒的熔滴堆垛而成的．因此，单个颗粒熔滴在热喷涂过程中的沉积行为，对涂层的性能有非常重要的影响．熔滴在基体表面的沉积行为可分为三个阶段：熔融颗粒撞击基体表面，然后在初始动能及惯性的作用下沿基体表面铺展，最后凝固在基体表面形成沉积物（涂层）．本研究通过观察采用大气等离子喷涂在ＳＵＳ３０４不锈钢基体上沉积Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ和Ｆｅ粉末时的沉积物形态，研究不同粉末熔滴在热喷涂时的沉积行为，以期达到优化涂层制备过程的目的．１实验材料与方法实验所用粉末是直径为数十微米的Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ及Ｆｅ粉，其形貌如图１所示．基体为ＳＵＳ３０４不锈钢，喷涂前，经砂纸打磨后再用０．３μｍ的Ａｌ２Ｏ３进行抛光处理并保持表面清洁．利用等离子喷涂设备在大气环境中进行喷涂，喷涂参数列于表１．将经过镜面抛光的基体置于实验台上，在靠近基体处放置一带有直径３ｃｍ小孔的挡板，可避免在喷涂过程中由等离子焰流带来的热量引起基体温度变化所产生的对颗粒沉积行为的影响，在低送粉量的条件下，当等离子射流稳定后，摇动与挡板相连的手柄使等离子射流中心、挡板上的小孔及基体处于同一水平线上，既可保证一定数量的熔融粉末通过挡板上的小孔沉积到基体表面，又可保证基体温度不会有显著地变化．利用光学显微镜对沉积物的形貌进行初步观察；再选择典型的单个沉积物，利用电子扫描电镜（ＳＥＭ）对其正面形貌进行观察；利用聚焦离子束（ＦＩＢ）对典型的单个沉积物进行切割，然后利用离子扫描电镜（ＳＩＭ）对单个沉积物与基材的接触状况及截面形态进行表征．表１等离子喷涂工艺参数Ｔａｂｌｅ１Ｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ电流／Ａ电压／ＶＡｒ流量／（Ｌ・ｍｉｎ‐１）Ｈ２流量／（Ｌ・ｍｉｎ‐１）送粉器（Ａｒ）流量／（Ｌ・ｍｉｎ‐１）送粉速率／（ｇ・ｍｉｎ‐１）喷涂距离／ｍｍ８００３６５０１２４６１５０图１喷涂用粉末形貌（ａ）Ｃｕ；（ｂ）Ｔｉ；（ｃ）Ａｌ；（ｄ）ＦｅＦｉｇ．１Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｕｓｅｄｐｏｗｄｅｒｓ２实验结果与讨论２．１颗粒沉积物的正面形貌图２为采用大气等离子喷涂不同粉末颗粒在ＳＵＳ３０４基体上的沉积物形貌．由图２可见，Ｃｕ粉和Ｆｅ粉沉积物呈明显的溅射特征，Ａｌ粉的沉积物有轻微溅射，而Ｔｉ粉的沉积物为规则的盘状，几乎没有溅射．图２不同粉末在３０４不锈钢基体上的沉积物形状（ａ）Ｃｕ；（ｂ）Ｔｉ；（ｃ）Ａｌ；（ｄ）ＦｅＦｉｇ．２ＳｐｌａｔｓｈａｐｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｗｄｅｒｓｔｈｅｒｍａｌｌｙｓｐｒａｙｅｄｏｎｔｏＳＵＳ３０４ｓｕｂｓｔｒａｔｅ３６１第７卷第３期杨焜，等：大气等离子喷涂不同粉末在不锈钢基体上沉积行为的研究为深入了解不同粉末在热喷涂过程中在基体表面的沉积行为，利用扫描电镜对单个粉末颗粒沉积物的正面形貌进行了详细的观察．四种粉末颗粒沉积物的正面形貌如图３所示．图３不同粉末颗粒在３０４不锈钢基体上的沉积物的正面形貌（ａ）Ｃｕ；（ｂ）Ｔｉ；（ｃ）Ａｌ；（ｄ）ＦｅＦｉｇ．３ＴｏｐｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｗｄｅｒｓｔｈｅｒｍａｌｌｙｓｐｒａｙｅｄｏｎｔｏＳＵＳ３０４ｓｕｂｓｔｒａｔｅ由图３（ａ）可见，Ｃｕ粉末颗粒沉积物的中心部位表面光滑，有少量气孔，沉积物的中心边缘呈锯齿状，应为溅射后留下的痕迹，有环状溅射物围绕在中心周围并与之分离，表明熔滴在碰撞基体后的溅射十分剧烈．由图３（ｂ）可见，Ｔｉ粉末颗粒沉积物呈规则的盘状，边缘光滑，几乎无溅射．在沉积物的表面可见大量网状裂纹，由沉积物的中心向周围扩展至整个沉积物，这些裂纹可深至沉积物底部到达基体．由图３（ｃ）可见，Ａｌ粉末颗粒沉积物有部分短而薄的溅射物，沉积物的中心部位所占比例极大，溅射物与中心部相连．由于Ａｌ的熔点远低于等离子焰流温度，当Ａｌ颗粒进入等离子焰流中被加温加速后，Ａｌ颗粒充分熔化乃至有部分被气化．因此，Ａｌ熔滴在撞击基体时，充分熔化层由于粘性较低而在基材表面充分铺展，故其溅射物远比Ｃｕ和Ｆｅ的薄．由图３（ｄ）可见，Ｆｅ粉末颗粒沉积物呈典型的溅射特征，其溅射物形似蛛网，细而长且横向相连，可见溅射是比较剧烈的．２．２颗粒沉积物截面形貌熔滴与基体界面的热传递、润湿等因素对熔滴在基体表面的沉积有至关重要的影响，通过沉积物的显微组织特征可反应出粉末颗粒在基体表面的铺展及凝固的过程．图４为四种粉末的单个颗粒沉积物中心部位的截面形貌．由图４（ａ）可见，Ｃｕ粉末颗粒的沉积物与基体的界面明显，沉积物中心部与基体的结合良好，边缘部位与基体的结合不够好．在靠近沉积物的上表面，可见大量规则的柱状晶在垂直于沉积物与基体的界面上生长（箭头１处）；在靠近沉积物与基体接触的界面处可见一层很薄的细小晶粒（箭头２处）．在沉积物与基体界面处可见大量的孔洞存在，且主要集中在沉积物底面的中心部位（箭头３处），箭头４所示为沉积物内部的气孔．由于沉积物的边缘处翘起状（箭头５所示），此处的沉积物与基体不能紧密接触．４６１材料研究与应用２０１３图４不同粉末颗粒在３０４不锈钢基体上沉积物的截面形貌（ａ）Ｃｕ；（ｂ）Ｔｉ；（ｃ）Ａｌ；（ｄ）ＦｅＦｉｇ．４ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｗｄｅｒｓｔｈｅｒｍａｌｌｙｓｐｒａｙｅｄｏｎｔｏＳＵＳ３０４ｓｕｂｓｔｒａｔｅ由图４（ｂ）可见，Ｔｉ粉末颗粒的沉积物与基体结合良好，沉积物与基材间界面清晰，无明显气孔及孔隙，边缘部位与基体的结合亦很紧密．箭头６所示为沉积物内部的裂纹．由图４（ｃ）可见，Ａｌ粉末颗粒的沉积物与基体结合良好，凝固组织致密，沉积物与基体界面及沉积物内部均无气孔，边缘部分亦无翘起．由图４（ｄ）可见，Ｆｅ粉末颗粒的沉积物呈溅射状，沉积物的中心部位有明显的分层，两层之间可见明显的界面，沉积物上表面（箭头７处）的一层较薄，与基体接触（箭头８处）的一层较厚．有研究表明［１］，Ｆｅ粉末在等离子焰流中飞行时，粒子的表面先熔化并被迅速氧化，而核心部分熔化得不够充分，不同的熔化状态导致表面及核心部分的粘性不同，因此，熔滴表面和核心部位将发生对流，使得一部分表面氧化层被置换到了内部，该氧化层熔滴在基体表面铺展及凝固的过程中形成界面，导致多层结构的产生．这一分层现象在其他三种粉末颗粒沉积物的截面尚未发现．箭头９和箭头１０处为Ｆｅ粉末颗粒沉积物内部的气孔，界面处还有较大的空隙（箭头１１处），在沉积物的边缘可见明显的翘起（箭头１２处），由此可见，Ｆｅ粉末颗粒沉积物有明显的溅射趋势．２．３讨论对采用大气等离子喷涂Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ及Ｆｅ粉末在不锈钢３０４基体表面沉积物的正面及横截面形态的观察和分析表明，在相同的试验条件下，不同的粉末材料在基体上的沉积行为和沉积物的形态是不同的．在Ｃｕ及Ｆｅ沉积物的内部及界面处均存在孔洞，沉积物的边缘有明显的翘起，表明这两种粉末在５６１第７卷第３期杨焜，等：大气等离子喷涂不同粉末在不锈钢基体上沉积行为的研究喷涂时溅射剧烈．已有研究表明［２］，镜面抛光后的基体表面会在化学键及范德华力作用下附着多层吸附质，发生吸附的同时会伴随有一定的脱附发生，并在恒定的环境压强及温度条件下达到动态平衡．热喷涂过程中，熔融的颗粒在与基体撞击的瞬间，初始碰撞区域的温度会因熔融颗粒带来的热量而瞬间上升，导致局部表面的吸附质迅速脱附［３］．熔融颗粒持续带来的热量导致碰撞区域基体温度快速上升，使脱附的气体在熔滴与基体界面及熔滴内部急剧膨胀，并最终在沉积物底部及内部形成气孔．由于气孔的存在，熔滴与基体的物理接触减弱，导致由熔滴向基体的热传导受阻，使熔滴粘性的增加速度受到阻碍而在较长的时间内保持不稳定的液态．同时，由于在熔滴与基体碰撞及铺展的过程中，由于碰撞中心区域的温度快速上升，使基体表面脱附的气体大量聚集和膨胀，导致涂层内部气体压强急剧增加．当内部气体压强大于原飞行颗粒的环境压强时脱附的气体与粉末颗粒会冲破边缘沉积物溅射而出，使沉积物中心的边缘部位形成翘起．成典型盘状沉积的Ｔｉ及有轻微溅射趋势的Ａｌ沉积物与基体表面结合良好，凝固组织均匀，沉积物的边缘与基体结合紧密．本实验所用的基体材料为镜面抛光３０４不锈钢，其表面有一层厚度达数十纳米的致密氧化膜，熔滴与基体碰撞后即在此氧化膜上铺展及凝固．在大气环境中进行喷涂时，熔滴在飞行过程中因表面部分氧化而附着一层薄薄的氧化层．已有研究表明［４］，金属与表面附着氧化膜的基材间的润湿性与金属的氧化物生成标准自由能密切相关．由于Ｔｉ和Ａｌ比Ｆｅ和Ｃｕ活泼，在等离子焰流中被熔化及在后续飞行过程中更容易被氧化，与基体的润湿性能更优良［５］，因此，活泼金属Ｔｉ和Ａｌ熔滴与不锈钢基体的润湿性良好，碰撞后会在基体表面平稳快速地铺展，使沉积物与基体充分接触，熔滴与基体间的热传递顺畅，熔滴的粘性由于热量的迅速耗散而快速上升，故容易形成盘状沉积．由于Ｔｉ比Ａｌ更活泼，因此，几乎没有溅射，而Ａｌ熔滴的边缘有部分溅射．以往的研究表明，喷涂时环境压强降低或基体预热温度升高，相同喷涂粉末的沉积物形貌具有由溅射状向盘状转化的趋势‐［６７］，在本试验中，热喷涂时Ｃｕ和Ｆｅ在不锈钢基体表面有典型的溅射发生，它们的溅射沉积物的形状有较大的区别；热喷涂Ａｌ粉时，在基体表面有部分溅射，但溅射程度较弱；而Ｔｉ粉末颗粒在基体表面呈典型的规则盘状沉积．由此可见，在相同的喷涂条件下，不同的粉末颗粒沉积物的形貌有很大的不同．３结论将直径为数十微米的Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｆｅ粉末通过大气等离子喷涂技术沉积到经镜面抛光后的３０４不锈钢基体上．Ｃｕ和Ｆｅ熔滴在不锈钢基体上均发生了明显的溅射，这两种沉积物的形貌各异，Ａｌ熔滴在基体表面有轻微溅射，而Ｔｉ熔滴为盘状沉积，沉积物上可见明显的裂纹．对四种粉末沉积物的正面及截面形态的分析结果表明，熔滴在与基体的碰撞及铺展过程中，基体表面吸附质的脱附、粉末材料的物理性能及与基体间的润湿性能决定了沉积物的最终形态．参考文献：［１］ＳＹＥＤＡＡ，ＤＥＮＯＩＲＪＥＡＮＡ，ＦＡＵＣＨＡＩＳＰ，ｅｔａｌ．Ｉｎ‐ｆｌｉｇｈｔｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｓｐｒａｙｅｄｕｓｉｎｇｇａｓａｎｄｗａｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｐｌａｓｍａｔｏｒｃｈ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆ＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ‐‐，２００６，２００（１４１５）：４３６８４３８２．［２］ＬＩＣＪ，ＬＩＪＬ．Ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ‐ｇａｓ‐ｉｎｄｕｃｅｄｓｐｌａｓｈｉｎｇｍｏｄｅｌｆｏｒｓｐｌａｔｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆ＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ‐，２００４，１８４：１３２３．［３］ＪＩＡＮＧＸ，ＷＡＮＹ，ＨＥＲＭＡＮＨｅｔａｌ．Ｒｏｌｅｏｆｃｏｎｄｅｎ‐ｓａｔｅｓａｎｄａｄｓｏｒｂａｔｅｓｏｎｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｏｎｆｒａｇｍｅｎｔａ‐ｔｉｏｎｏｆｉｍｐｉｎｇｉｎｇｍｏｌｔｅｎｄｒｏｐｌｅｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｓｐｒａｙ［Ｊ］．ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ‐，２００１，３８５：１３２１４１．［４］ＳＵＧＡＮＵＭＡＫ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｉｎｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍｅｔａｌｃｅｒａｍｉｃ／ｊｏｉｎｔ［Ｊ］．ＢｕｌｌＪａｐａｎＩｎｓｔＭｅｔ‐ａｌｓ‐，１９９０，２９（１１）：８８２８８７．［５］ＮＯＧＩＫ，ＩＷＡＭＯＴＯＮ，ＯＧＩＮＯＫ．Ｗｅｔｔｉｎｇｍｅｃｈａ‐ｎｉｓｍｏｆｃｅｒａｍｉｃｓｂｙｌｉｑｕｉｄｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．ＢｕｌｌＪａｐａｎＩｎｓｔＭｅｔａｌｓ‐，１９９２，３１（４）：２７８２８１．［６］ＹＡＮＧＫ，ＴＯＭＩＴＡＫ，ＦＵＫＵＭＯＴＯＭ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｍｂｉｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｆｌａｔｔｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｐｒａｙｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｒｍａｌＳｐｒａｙＴｅｃｈｎｏｌ‐ｏｇｙ‐，２００９，１８（４）：５１０５１８．［７］ＹＡＮＧＫ，ＦＵＫＵＭＯＴＯＭ，ＹＡＳＵＩＴ，ｅｔａｌ．Ｒｏｌｅｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｐｌａｓｍａ‐ｓｐｒａｙｅｄｓｐｌａｔｓ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆ＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌ‐ｏｇｙ‐，２０１３，１４３：１３８１４３．６６１材料研究与应用２０１３ＳｐｌａｔｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｗｄｅｒｓｏｎｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇＹＡＮＧＫｕｎ１，ＤＥＮＧＣｈａｎｇｇｕａｎｇ１，ＬＩＵＭｉｎ１，ＦＵＫＵＭＯＴＯＭａｓａｈｉｒｏ２１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｎ‐ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ），Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｏｙｏｈａｓｈｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｏｙｏｈａｓｈｉ，４４１‐８５８０，ＪａｐａｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕ，Ｔｉ，ＡｌａｎｄＴｉｐｏｗｄｅｒｓｗｉｔｈｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｔｅｎｓｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｗｅｒｅｔｈｅｒｍａｌｌｙｓｐｒａｙｅｄｏｎｔｏｍｉｒｒｏｒｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＳＵＳ３０４ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｂｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇ．Ｔｈｒｏｕｇｈｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｏｐｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｓｐｌａｔｃｏｌｌｅｃｔｅｄｏｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｏｗｄｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｏｎｓｐｌａｔｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔ，ＣｕａｎｄＦｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｅｘｈｉｂｉｔｅｄａｓｔｙｐｉｃａｌｓｐｌａｓｈｓｐｌａｔ，ａｎｄＡｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｓｈｏｗｅｄｓｌｉｇｈｔｌｙｓｐｌａｓｈｉｎｇ；Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，Ｔｉｐａｒｔｉｃｌｅｄｅｐｏｓｉｔｅｄａｓｒｅｇｕｌａｒｄｉｓｋ‐ｓｈａｐｅｄｓｐｌａｔｗｉｔｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｍｉｃｒｏ‐ｃｒａｃｋｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇ；ｐｏｗｄｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｓｐｌａｔｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ７６１第７卷第３期杨焜，等：大气等离子喷涂不同粉末在不锈钢基体上沉积行为的研究