宋勁松

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

等離子噴涂技術(shù)制備的涂層為基體相和第二相堆疊在一起的層狀結(jié)構(gòu)，這種多相多層的結(jié)構(gòu)及第二相的存在能夠抑制裂紋的擴展，提高涂層的韌性從而使涂層的硬度、耐磨性得到提升[1-6]。通過該技術(shù)在金屬基體材料表面制備厚度約為300 μm的Ni/WC涂層、Al2O3/TiO2涂層、Fe-Al2O3-FeAl2O4復(fù)合涂層、Fe3Al/Al2O3梯度涂層等多種涂層，在有效降低生產(chǎn)成本的同時，使材料表面的硬度、耐磨性等綜合性能得到了顯著地提高。目前，反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、印刷造紙、汽車、生物工程、鋼鐵及人工植入等國防、軍工、民用制造的各個領(lǐng)域[7]。陶瓷材料的應(yīng)用由于其韌性低、脆性大的缺點而被限制，引入第二韌性相對陶瓷材料的增韌效果明顯[8]。其中，延性金屬第二相韌化陶瓷材料的效果較好。相關(guān)研究表明:Ni/Al對涂層顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能均起到明顯的改善作用[9]。本文通過噴霧造粒的方法在Al/Fe2O3復(fù)合粉體中加入Ni/Al合金粉末，利用等離子噴涂技術(shù)成功制備陶瓷基復(fù)合涂層，對涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進行了分析。

1 復(fù)合涂層的制備與檢測方法

1.1 復(fù)合粉體的制備

利用超聲震動及機械攪拌將表1中的Ni/Al粉、Fe2O3粉及Al粉三種粉料混合均勻，采用LPG型高速離心噴霧干燥機進行噴霧造粒，篩取噴霧造粒后的復(fù)合粉體，選取-150～+300目留做噴涂用，復(fù)合粉體形貌如圖1所示,可見復(fù)合粉體呈圓球狀，流動性較好。

表1 復(fù)合粉體參數(shù)

1.2 試樣的制備

試樣基體采用45號鋼，尺寸為10 mm×10 mm×12 mm。采用額定功率為80 kW的GP-80型等離子噴涂設(shè)備制備復(fù)合涂層，在基體與復(fù)合涂層之間制備約100 μm 厚具有自粘結(jié)性的鎳包鋁打底層，以提高復(fù)合涂層與基材之間的粘結(jié)強度。通過SHIMADZU HMV-2型顯微硬度計測量復(fù)合涂層顯微硬度，壓頭為正菱形金剛石壓頭(壓頭角α=136°)，載荷為200 g，相結(jié)構(gòu)分析利用PHILIPSX-Pert MPD型X射線衍射儀，采用 PHILIPSXL30/TMP型掃描電鏡進行形貌的觀察及表征，通過M-200型環(huán)塊摩擦磨損試驗機(原理如圖2)進行摩擦磨損性能的測試，試驗壓力載荷分別為100、150、200、250 N，對磨環(huán)為表面噴涂WC-CO涂層的碳鋼圓環(huán)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合涂層物相分析

圖3為不同Ni/Al添加量復(fù)合涂層XRD圖譜，由圖3a可知，反應(yīng)物Al和Fe2O3完全消失，取而代之的是FeAl2O4、FeO、AlFe、AlFe3、Al2Fe3相，其中FeAl2O4為復(fù)合涂層主相。由圖3b可知，涂層主相為FeAl2O4、AlFe相及少量的Fe單質(zhì)、Ni單質(zhì)和Al2O3相。隨著Ni/Al添加量的增加，復(fù)合涂層中出現(xiàn)了AlNi相，F(xiàn)e、Al2O3兩相則消失不見，當(dāng)添加量達到15%時，復(fù)合涂層中形成了較多的(Ni,Fe)Fe2O4相，說明Ni原子代替了FeAl2O4晶格中Fe、Al原子的位置而影響了Fe單質(zhì)和FeAl2O4相的形成，從而形成了(Ni,Fe)Fe2O4新物相。

2.2 復(fù)合涂層表面形貌的分析

圖4為未添加及添加量為15%的復(fù)合涂層表面形貌SEM。由圖4可知，反應(yīng)等離子噴涂制備的兩種復(fù)合涂層均充分熔融，熔滴間結(jié)合緊密，沒有明顯的孔隙，涂層呈熔滴的堆積狀。這說明，等離子焰流的熱量加上自蔓延反應(yīng)產(chǎn)生的熱量足以使反應(yīng)產(chǎn)物在到達基體前始終保持熔融狀態(tài)，熔融的液滴在高速焰流的作用下撞擊到基體表面形成具有明顯濺射特征的復(fù)合涂層。

2.3 復(fù)合涂層截面掃描形貌

由復(fù)合涂層截面形貌SEM(見圖5)可知，復(fù)合涂層由白色相、淺灰色相、深灰色相及黑色相組成，結(jié)合表2不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果可以確定，白色相主要是Fe，淺灰色相和深灰色相為FeAl2O4(鐵鋁尖晶石)，其中邊角圓滑過渡(C區(qū)域)的淺灰色相含有較多的Fe，深灰色相含有較多的Al，形狀十分不規(guī)則(E區(qū)域)的淺灰色相含較多的Ni，黑色相主要為Al2O3。

據(jù)檢測結(jié)果可推斷復(fù)合粉體在等離子焰流中的反應(yīng)過程如下：高溫的等離子焰流將復(fù)合粉體全部融化，首先發(fā)生是Fe2O3在高溫下逐漸被Al還原為FeO，Al氧化后生成Al2O3并與FeO反應(yīng)生成FeAl2O4；部分未參加反應(yīng)的Al繼續(xù)奪取FeO或Fe2O3中的O元素，最終置換出Fe；如部分粉體顆粒中含Al量極多則會與Fe反應(yīng)生成AlFe，而Al2O3則因參與反應(yīng)生成FeAl2O4被不斷的消耗而很難大量存在于涂層中。

3 涂層的硬度分析

圖6為不同Ni/Al添加量復(fù)合涂層顯微硬度分布。由圖6可知，隨著Ni/Al含量的增加，涂層的顯微硬度值分別由863HV0.3、847HV0.5、805HV1逐漸下降至742HV0.3、729HV0.5、724HV1，結(jié)合圖2及表2分析可知，添加Ni/Al后涂層中形成了金屬間化合物AlFe和AlNi，同時有部分Ni和Fe單質(zhì)存在，與陶瓷相相比，金屬單質(zhì)及金屬間化合物的硬度較低，因此涂層的硬度會隨著Ni/Al含量的增加有所下降。同時，隨載荷的增加涂層的顯微硬度也出現(xiàn)了降低的趨勢。

4 涂層摩擦磨損性能分析

圖7為不同Ni/Al添加量復(fù)合涂層的磨損量。由圖7可知，磨損量隨著Ni/Al含量的增加先降低后增加，隨著載荷的增加而增加。Ni/Al含量增加，涂層中質(zhì)軟的金屬間化合物AlNi、AlFe及金屬單質(zhì)Ni的含量升高，這就使涂層的硬度、耐磨性能下降。當(dāng)添加量為5%時，涂層磨損量遠遠低于原始涂層，表現(xiàn)出較好的耐磨性。

圖8為復(fù)合涂層磨損表面SEM。由圖8a復(fù)合涂層磨痕表面形貌可以看出，復(fù)合涂層表面有沿著對磨環(huán)轉(zhuǎn)動方向的光滑的磨損痕跡和剝落區(qū)域，圖8b為光滑區(qū)域放大，圖8c為剝落區(qū)域放大，可見剝落區(qū)域積存大量的磨屑，且在水平位置上相較于光滑區(qū)較低，圖8d為8b中A處放大，由圖可見，復(fù)合涂層中已經(jīng)產(chǎn)生微裂紋，隨著對磨環(huán)施加的切應(yīng)力及壓應(yīng)力的持續(xù)，裂紋會繼續(xù)擴展，最終剝落形成剝落區(qū)，之前形成的剝落區(qū)由于水平位置較高而凸顯出來，在對磨環(huán)的作用下逐漸變?yōu)楣饣瑓^(qū)。是否添加Ni/Al，復(fù)合涂層均為金屬間化合物及金屬單質(zhì)分散在FeAl2O4(鐵鋁尖晶石)基體上，相結(jié)構(gòu)及組成并無明顯改變，再結(jié)合摩擦磨損數(shù)據(jù)可知復(fù)合涂層的磨損機理為：磨粒磨損和黏著磨損。

5 結(jié)論

1)工業(yè)級Fe2O3粉、Al粉和Ni/Al粉經(jīng)過噴霧造粒技術(shù)可制備出流動性較好的復(fù)合粉體，經(jīng)等離子噴涂技術(shù)可制備復(fù)合涂層，涂層中包括FeAl2O4、AlFe、AlNi、Fe、Ni、Al2O3以及(Ni,Fe)Fe2O4相，并表現(xiàn)出較好的耐磨性。

2)隨著Ni/Al含量的增加，復(fù)合涂層的顯微硬度值逐漸下降；磨損性能先升高后降低，綜合考慮，當(dāng) Ni/Al的添加量為5%時，復(fù)合涂層的力學(xué)性能最優(yōu)。