激光重熔对Al2O340TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响.docx

1、激光重熔对Al2O340TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响激光重熔对Al2O3-40%TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响 ? 激光重熔对Al2O3-40%TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响 激光重熔对Al2O3-40%TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响 杨 可， 李振宇， 蒋永锋， 包晔峰 (河海大学 机电工程学院，常州 213022) 摘 要：利用等离子喷涂方法制备Al2O3- 40%TiO2涂层，对涂层进行激光重熔处理. 分别对等离子喷涂层和激光重熔涂层进行耐冲蚀磨损性能试验，研究了激光重熔对Al2O3- 40%TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响. 结果表明，激光重熔消除了Al2

2、O3- 40%TiO2等离子喷涂层的层状结构，使得等离子喷涂层中-Al2O3转变为-Al2O3，形成了-Al2O3+TiAl2O5稳定结构. 激光重熔后的涂层组织致密均匀、硬度高，具有冶金结合特征，使得耐冲蚀性能得到极大提高，其磨损特征为冲蚀粒子冲击作用下产生的裂纹、破碎与块状剥落. 关键词：激光重熔；等离子喷涂；涂层；耐冲蚀性能 0 序 言 在水力机械中，水轮机的叶片等水力设备动力装置常受到水流泥沙的冲蚀，磨损严重1-3. 陶瓷材料具有高的硬度和优良的耐磨性能，在这些水力动力装置表面涂上一层陶瓷材料能够有效提高其耐冲蚀性能4,5. 等离子喷涂是目前最常用的表面陶瓷涂层制备技术，但是,等离子喷

3、涂工艺的特点决定了涂层有一定的孔隙率并呈层状结构，层内粘结强度较低，容易脱落失效，从而限制了其在水力机械中的应用. 激光重熔处理是一种将激光技术和热处理相结合的表面强化技术，可以减少涂层孔隙率、消除层状结构，形成均匀致密的陶瓷涂层，保证涂层的性能，进而提高其使用寿命6-8. Al2O3熔点高、硬度大，具有良好的化学稳定性和耐磨性；TiO2熔点低、粘结力强，能够部分嵌合并粘结在Al2O3颗粒之间的孔隙中. 在Al2O3粉末中加入一定量的TiO2形成的Al2O3-TiO2陶瓷涂层，孔隙率低、强度高，具有良好的耐磨性9-11. 因此，文中使用等离子喷涂技术制备Al2O3- 40% TiO2陶瓷涂层，

4、经过激光重熔进行表面改性，对涂层组织结构及成分分析，以及显微硬度测试和冲蚀磨损试验，研究了激光重熔对Al2O3- 40%TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响. 1 试验方法 基体材料选用Q235钢；粘结底层粉末为80%Ni+20%Cr，粒度140325目；表面陶瓷材料为60%Al2O3和40%TiO2的复合粉末，粒度325600目. 采用北京航空制造工程研究所生产的N-800型等离子喷涂设备进行喷涂. 喷涂工艺如表1所示. 表1 等离子喷涂工艺参数Table 1 Procession parameters of plasma spraying喷涂材料电流I/A电压U/VAr主气流量Q/(Lmi

5、n-1)H2辅气流量Q1/(Lmin-1)喷涂距离d/mmNi-Cr51068.84020125Al2O3-40%TiO258570.64020125 采用HANS-LASER YAG W200B高能脉冲激光器进行激光重熔，光斑直径为4 mm，单脉冲输出功率为8 kW，扫描速度为8 mm/s. 分别对等离子喷涂和激光重熔涂层切取试样，将试样进行镶嵌、研磨、抛光后，利用JSM-6360LA扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对涂层组织和微区成分分析. 采用Rigaku型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析. 采用HVS-1000数显显微硬度计测量，载荷为1.96 N，加载时间为15 s. 冲

6、蚀试验在冲蚀磨蚀试验机上进行，试样尺寸56.5 mm25 mm6 mm，冲蚀粒子采用26目40目不规则多角形的石英砂，砂粒被水流加速冲蚀试样表面，含砂量为50 kg/m3，水流冲蚀压力0.35 MPa，冲蚀角度为60，冲蚀时间为2 min. 试样磨损试验前后在精度为1 mg的电子天平上称重，磨损质量损失为试样磨损前后的质量之差，用扫描电镜(SEM)观测试样磨损后的形貌. 2 结果与讨论 图1为Al2O3- 40%TiO2等离子喷涂层与激光重熔涂层的剖面SEM组织形貌. 由图1a可见等离子喷涂层具有典型的层状结构，片层之间结合不紧密，存在一定的孔隙，且含有微裂纹;经过激光重熔后，消除了等离子喷涂

7、层的层状结构，减少了孔隙等缺陷，形成了沿垂直于基体方向细小、紧密排列的柱状晶结构，如图1b所示. 图1 等离子喷涂层与激光重熔涂层的剖面组织 Fig.1 Cross-section SEM images of plasma-sprayed and laser-remelted coatings 等离子喷涂层EDS线扫描如图2所示，Al元素含量在颜色较淡区域相对较低，而在颜色较暗的区域相对含量明显偏高，Ti元素含量变化与Al元素相比呈相反趋势，淡色区域含量高，而暗色区域含量低. 因此，等离子喷涂层具有明显的组织不均匀性. 激光重熔后使得涂层变薄，其EDS线扫描如图3所示. 存在由表及里的纵向裂纹

8、. 这是由于Al2O3- 40%涂层为陶瓷材料，其冲击韧性较差、断裂韧性值低，在激光重熔过程中的急剧加热、冷却条件下残余应力较大7，在试样磨制抛光过程中容易发生裂纹. 由图中可以发现，Al，Ti元素扫描曲线在一定范围内呈规则的连续波动，说明含铝或铁的相分布均匀，进而表明经过激光重熔后涂层能形成致密、均匀的组织结构. 图2 等离子喷涂层线扫描图谱Fig.2 Line scanning pattern of plasma sprayed coating 图3 激光重熔涂层线扫描图谱Fig.3 Line scanning pattern of laser remelted coating 图4为等离

9、子喷涂层与激光重熔涂层的XRD分析图. 由图可见，等离子喷涂层由-Al2O3,-Al2O3和TiAl2O5三相组成，激光重熔涂层仅由-Al2O3和TiAl2O5两相组成. 这表明激光重熔后，涂层中的发生亚稳相-Al2O3向稳定相-Al2O3晶型转变的过程12. 等离子涂层中的亚稳相-Al2O3转化为稳定的-Al2O3相，有利于涂层硬度的提高. 测得等离子喷涂层平均硬度HV0.2为564.3，且硬度波动范围较大，这与涂层组织疏松，存在一定的孔隙等缺陷有关；激光重熔后形成具有稳定相结构的均匀致密涂层，其硬度得到显著提高，平均硬度HV0.2为989.4. 等离子喷涂层与激光重熔涂层的磨损试验结果分别

10、为0.543 7 g和0.064 9 g. 可见，激光重熔涂层磨损失重最小，约为等离子喷涂层磨损失重的1/9. 图4 涂层的XRD图谱Fig.4 XRD pattern of coatings 因此，通过激光重熔可以极大提高Al2O3- 40%TiO2等离子喷涂层的耐冲蚀性能. 图5为等离子喷涂层的磨损形貌. 由图5a可以发现，冲蚀后的涂层表面有大量喷涂颗粒和片层剥落现象，并且在孔隙等缺陷处这种剥落现象更为显著. 此外，孔隙周围的涂层，存在一定程度的显微裂纹，如图5b所示，这些裂纹在冲蚀粒子的反复冲击作用下容易扩展，最终导致片层组织的脱离与剥落，加剧了涂层的冲蚀磨损质量损失. 图6为激光重熔涂

11、层的磨损形貌. 由图6a可以看出，相对于等离子喷涂层，冲蚀后涂层表面比较平整，分布着纵横交错的裂纹，这些裂纹相互交汇，把涂层分割成200 m左右大小的块状区域，并出现明显的松动、破碎与剥落. 块状区域涂层的破碎与剥落形成凹坑，在冲蚀粒子的反复作用下，导致周边的涂层脱离，形成更大面积的块状涂层剥落，如图6b所示. 高压泥浆冲蚀涂层表面时，高流速砂粒对涂层表面产生的冲击运动，可分解为平行表面的切向运动和垂直表面的法向运动；砂粒平行表面的切向运动主要对涂层表面进行切削，而砂粒垂直表面的法向运动则对涂层产生冲击作用13. 冲蚀磨损的水流冲击角度为60，砂粒对涂层表面冲击作用大于切削作用. 两种涂层均由

12、高硬度Al2O3和TiO2颗粒构成，都能够很好的抵御冲蚀砂粒的切削作用，因切削作用引起的破坏较小. 等离子喷涂层为颗粒层状堆积，颗粒间主要靠机械结合，结合强度低，在冲击作用下，很容易发生颗粒剥落现象14. 另外，涂层存在大量孔隙等缺陷，降低了涂层的有效承载面积，破坏了涂层的连续性，增加了应力集中点，容易萌生裂纹；同时裂纹容易在结合力较低的颗粒之间或者颗粒之间未结合的部位进行扩展，在反复冲击作用下涂层表面的片层结构不断剥离、脱落，因此，等离子喷涂层的冲蚀磨损失重大. 图5 等离子喷涂层微观冲蚀形貌 Fig.5 Erosion micro morphology of plasma sprayed

13、coating 图6 激光重熔涂层微观冲蚀形貌 Fig.6 Erosion micro morphology of laser remelted coating 等离子喷涂层经激光重熔后，涂层表面结晶成细小、紧密排列的柱状晶结构(图1a)，不容易出现颗粒剥离现象. 而激光重熔过程中急速加热、冷却条件下引起较大的体积收缩应力，且激光重熔涂层硬度高，耐冲击韧性和断裂韧性低15，在冲蚀粒子的反复冲击作用下，使得平行排列垂直于基体的柱状晶不断产生纵向裂纹，并向涂层表面和基体方向扩展，出现纵横交错的裂纹，裂纹把涂层分割成许多块状区域，块状区域涂层在冲蚀粒子的作用下出现松动、破碎与剥落. 因此，激光重熔涂

14、层是以涂层表面的裂纹萌生和扩展，最终导致涂层破碎、剥落，其冲蚀磨损失重远小于等离子喷涂层. 3 结 论 (1) 激光重熔Al2O3- 40%等离子喷涂层，使涂层中亚稳相-Al2O3转变为-Al2O3稳定相，形成了-Al2O3+TiAl2O5稳定结构. (2) 激光重熔消除了等离子喷涂层的层状结构，减少了孔隙等缺陷，形成了沿垂直于基体方向细小、紧密排列的柱状晶组织. 但涂层存在裂纹，这是由于激光重熔后涂层内部产生的应力所致. (3) 激光重熔后涂层组织致密、成分均匀、硬度高，使得耐冲蚀磨损性能得到极大提高，其磨损特征为涂层裂纹、破碎与块状剥落. 参考文献： 1 Padhy M K, Saini

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