等离子喷涂毕业论文.doc

长春工业大学本科生毕业论文第一章绪论1.1选题背景众所周知，除少数贵金属外，金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应而遭受腐蚀。此外，金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重。大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效，造成极大的浪费和损失。据一些工业发达国家统计，每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量10%，损失金额约占国民经济总产值的2-4%。如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的话，其数值更加惊人。因此，发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题.随着尖端科学和现代工业的发展，各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行1。因此，对材料的性能也提出更高要求，采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果，显然是不经济的，有时甚至是不可能的。所以，研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科，所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助火焰流的本身动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术2。本文在低碳钢表面采用等离子喷涂技术沉积了al2o3+13wt.%to2复合材料涂层，对沉积的涂层进行了组织结构和硬度、磨损等性能分析测试，试验所得数据对提高零部件表面耐磨、耐蚀性能具有一定的理论意义和工程应用价值。1.2热喷涂技术概述1.2.1热喷涂技术分类 热喷涂技术是表面工程中一门重要的学科3。所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术4。根据热源的种类热喷涂技术主要分类为：热源温度喷涂方法火焰约3000粉末火焰喷涂陶瓷棒材火焰喷涂高速火焰喷涂(hvof)爆炸喷涂(d-gun)电弧约5000电弧喷涂等离子弧10000以上大气等离子喷涂（aps）低压等离子喷涂（lpps）水稳等离子喷涂1.2.2热喷涂设备虽然因热喷涂的方法不同其设备也各有差异，但依据热喷涂技术的原理，设备都主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。图11为等离子喷涂的设备配置图。图1-1 等离子喷涂设备图1.2.3热喷涂工艺热喷工艺过程如下：工件表面预处理 工件预热 喷涂 涂层后处理1. 表面预处理为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙，净化和粗化表面的方法很多，方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定5。净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。净化处理的方法有，溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等6。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为1660号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0.50.7mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为0.30.4mpa。特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说2.513 mra 就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过10mra 后，涂层结合强度的提高程度便会减低。对于一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层，常用作粘结底层的材料有mo、ni-al、ni-cr及铝青铜等7。粘结底层的厚度一般为0.080.18m。2.预热预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂8。预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在60-120之间。3.喷涂采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。4.涂层后处理喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。用于防腐蚀的涂层，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。用作封孔剂的材料很多，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料，如何选择合适的封孔剂，要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑.对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等)，使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如涂层有微孔，不利于散热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。1.2.4热喷涂技术的特点从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有以下一些特点。1.由于热源的温度范围很宽，因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料，如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及由它们组成的复合物等。因而能赋予基体以各种功能(如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热生物相容、红外吸收等)的表面。2.喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制，因此可以在各种材料上进行喷涂(如金属、陶瓷、玻璃、纸张、塑料等)，并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形也小。3.设备简单、操作灵活，既可对大型构件进行大面积喷涂，也可在指定的局部进行喷涂；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工。4.喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济。随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大，特别是喷涂技术本身的进步，如喷涂设备的日益高能和精良，涂层材料品种的逐渐增多、性能逐渐提高，热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展，不但应用领域大为扩展，而且该技术已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层；由单个工件的维修发展到大批的产品制造；由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析、表面预处理、涂层材料和设备的研制、选择，涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程；成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科。并且在现代工业中逐渐形成，象铸、锻、焊和热处理那样的独立的材料加工技术。成为工业部门节约贵重材料、节约能源、提高产品质量、延长产品使用寿命、降低成本、提高工效的重要的工艺手段，在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用。1.2.5热喷涂原理和涂层性能热喷涂原理1.热喷涂涂层的形成热喷涂时，涂层材料的粒子被热源加热到熔融态或高塑性状态，在外加气体或焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时急冷而快速凝固，颗粒这样遂层沉积而堆积成涂层。2.热喷涂涂层的结构特点热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹杂。涂层剖面典型的结构如下图，其特点为：(a)呈层状(b)含有氧化物夹杂(c)含有孔隙或气孔3. 热喷涂涂层的结合机理涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的粘结力称为结合力，涂层内部的粘结力称为内聚力。涂层中颗粒与基体之间的结合以及颗粒之间的结合机理，目前尚无定论，通常认为有以下几种方式。（1） 机械结合碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以颗粒的机械联锁形式而形成的结合，一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。（2） 冶金化学结合这是当涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。（3） 物理结合颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。4. 涂层的残余应力当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受到激冷而凝固，从而产生收缩应力。涂层的外层受拉应力，基体有时也包括涂层的内层则产生压应力。涂层中的这种残余应力是由热喷涂条件及喷涂材料与基体材料的物理性质的差异所造成的。它影响涂层的质量、限制涂层的厚度。工艺上要采取措施以消除和减少涂层的残余应力。5.热喷涂涂层的性能1. 化学成分由于涂层材料在熔化和喷射过程中，在高温下会与周围介质发生作用生成氧化物、氮化物，以及在高温下会发生分解， 因而涂层的成分与涂层材料的成分是有一定的差异的，并在一定程度上影响涂层的性能。如mcraly 氧化后会影响其耐蚀性，而wcco 经氧化和高温分解后其耐磨性会降低。通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的发生。如采用低压等离子喷涂可大大减少涂层材料的氧化，而高速火焰喷涂则可以防止碳化物的高温分解。2. 孔隙度热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及喷涂距离和喷涂角度等喷涂参数有关。一般来说，温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂层的孔隙度都比较高，一般达到百分之几，甚至可达百分之十几。而高温的等离子喷涂涂层及高速的超音速火焰喷涂涂层则孔隙度较低。最低可达0.5以下。3. 硬度由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变使涂层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也会因喷涂方法的不同而有所差异。4. 结合强度热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛描效应）。基材表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基体的速度以及涂层中残余应力的大小均会影响涂层与基体的结合强度，因而涂层的结合强度也与所采用的喷涂方法有关。5. 冷热疲劳性能对于一些在冷热循环状态下使用的工件，其涂层的抗冷热疲劳（或称热震）性能至关重要，若该涂层的抗热震性能不好，则工件在使用过程中便会很快开裂甚至剥落。涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体材料的热膨胀系数差异的大小和涂层与基体材料结合的强弱。1.3 等离子喷涂简介1.3.1 等离子喷涂原理等离子弧是一种高能密束热源,电弧在等离子喷枪中受到压缩,能量基中,其横截面的能量密度可提高到105-106w/cm2,弧柱中心温度可升高到15000-34000k。在这种情况下,弧柱中气体随着电离度的提高而成为等离子体,这种压缩型电弧为等离子弧9。等离子弧和自由电弧相比,显著的不同是弧柱细,电流密度大,气体电离充分,温度高、能量集中；在弧柱较长时仍能保持稳定燃烧,没有自由电弧易飘动的缺点,稳定性好;通过气体的选择和改变压缩效应的外因条件,容易获得所需要的气氛和电弧参数,可控性好。离子喷涂将喷涂材料通过等离子弧加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子弧高速撞击并沉积在经过粗化、洁净处理的基材表面上，经淬冷凝固后，在基材表面形成喷涂层。图1-2是气稳等离子喷涂原理图，图的右侧是等离子发生器又叫等离子喷枪。根据工艺的需要，经进气管通入氮气或氩气，也可直接通入5%10%的氢气，这些气体进入弧柱区后发生电离成为等离子体。由于钨极与前枪体有一段距离，故在电源的空载电压加到喷枪上以后，并不能立即产生电弧，还须在前枪体与后枪体之间并联一个3000v，几百千赫的高频电源。高频电源接通使钨极端部与前枪体之间产生火花放电，于是电弧便被引燃。电弧引燃后，切断高频电路，引燃后的电弧在通道中受到压缩，温度升高，喷射速度加大，此时向前枪体的送粉管中输送粉状材料，粉末在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速撞击在零件表面上10。撞击零件表面时熔融状态的球形粉末发生塑性变形，粘附于零件表面，各粉粒之间也依靠塑性变形而互相结合起来，在零件表面形成一定厚度的喷涂层。图1-2 气稳等离子喷涂原理1.3.2 等离子喷涂特点（1）可喷材料极为广泛由于等离子喷涂时焰流温度高、热量集中，弧柱中心温度可升高到15000-33000k，它能熔化一切高熔点和高硬度材料。这是其它喷涂方法所不能实现的。（2）涂层致密，结合强度高因为等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以，喷涂获得的涂层致密度高，一般在90%98%之间。结合强度可达6570mpa。（3）对工件热影响小等离子喷涂时，对工件的热输入量小，喷涂后基材金相组织不发生变化，工件几乎不产生变形。（4）效率高等离子喷涂时，生产效率高。采用高能等离子喷涂设备时，粉末的沉积速率可达8kg/h。此外，等离子喷涂还和其它喷涂方法一样，具有零件尺寸不受限制，基体材料广泛，加工余量小，可用喷涂强化普通基材零件表面等优点11。1.3.3 等离子喷涂设备等离子喷涂设备主要有：整流电源、控制柜、喷枪、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等，他们相互配置如图1-3所示11。另外，等离子喷涂所需要的辅助设备有：空气压缩机，喷涂机械手、工作台和喷砂设备等。图1-3 等离子喷涂设备配置图（1）整流电源喷涂用的整流电源是向喷枪供给电能的装置，其外特性、动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。目前采用的整流电源类型仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源。（2）控制柜等离子弧喷涂控制柜的主要作用是控制向等离子喷枪供应冷却水、工作气、送粉气、工作电流及高频电流，能方便地调节水、气和电参数等并加以显示。控制柜中还备有各种保护装置，保证设备正常的工作。（3）喷枪喷枪是等离子喷涂设备的核心装置。喷枪产生高温、高速等离子火焰，粉末经送粉器被送入等离子焰流中经过熔化加速过程最终喷射到基材表面。喷枪是形成涂层的关键设备。喷枪由阴极、喷嘴(阳极)、进气道与气室、送粉器、水冷密封、绝缘体及枪体构成。（4）送粉器送粉器是贮放和向喷枪供给粉末的装置。送粉器的功用是向等离子喷枪均匀、定量地输送喷涂粉末。对送粉器的主要技术要求是送粉量准确度高、送粉量调节方便，以及对粉末粒度的适应范围广等。目前常用的是刮板式送粉器和带有小孔的转盘吹式送粉器，前者适用于固态流动性好的粉末，后者可用于固态流动性差的粉末和微细粉末。（5）水冷系统水冷系统是向喷枪供给一定压力和足够流量冷却水的装置，供水装置包括增压水泵和热交换器。（6）气体供给系统供气系统包括工作气和送粉器的供气系统，主要由气瓶、减压阀、储气筒、流量计等组成。1.4 陶瓷涂层1.4.1 陶瓷涂层概述高性能的陶瓷涂层是一种具有较大发展前景的新型高温材料，它既具有无机材料的耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优良性能，又能保持原有底材的结构强度，是目前解决高科技中材料热障、不耐磨、易腐蚀的最现实的技术方案之一，日益受到人们的广泛重视12。早期，无机的陶瓷涂层主要只作为金属材料的防腐蚀及提高其耐磨性的应用。上世纪40年代之后，随着超高速喷气发动机、火箭、人造卫星及原子能等尖端技术的飞速发展，对材料提出了更苛刻的要求耐高温、耐腐蚀、抗震动、抗疲劳、耐冲刷等，以致原来可以使用的合金钢和高温合金等金属材料无法满足需要，便开展了在已有的材料上通过喷涂高性能陶瓷涂层的方法来解决材料的上述问题12 。1.4.2 陶瓷涂层的特点大多数陶瓷材料具有离子键或共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，从而赋予了陶瓷材料高熔点、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热膨胀系数小、摩擦系数小等特性；但与金属材料相比，其塑性变形能力差、对应力集中和裂纹敏感13。采用热喷涂技术，在金属基体上制备陶瓷涂层，能把金属材料的特点和陶瓷材料的特点有机地结合起来，获得复合材料结构。随着宇航、电子、军工等尖端科学技术的发展，近半个世纪以来特别是20世纪90年代以来，得到了持续高速的发展。与整体结构陶瓷材料相比，陶瓷涂层具有如下特点:(1)能有机地把金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性等和陶瓷材料的耐高温、高耐磨、高耐蚀等特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满足机械产品对结构性能和环境性能的需要，获得理想的复合材料结构。(2)能够用于制备陶瓷涂层的材料品种多。它们包括:各种氧化物和复合氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物以及金属陶瓷；陶瓷和陶瓷、陶瓷和金属、陶瓷和塑料等材料，亦可进行组合。用作整体结构材料的陶瓷，目前还仅有碳化硅、氮化硅等少数几个品种。(3)功能广。能够采用不同的热喷涂工艺，可获得各种功能的表面强化陶瓷涂层，如耐磨、减磨自润滑、可磨耗密封、高磨阻制动、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、绝热、绝缘、热辐射、防辐射、屏蔽及波长吸收、催化、超导和生物功能等。(4)能够在多种基体材质上制备陶瓷涂层14。基体可以是各种金属(如钢、铸铁、铝等难熔金属)，陶瓷、水泥、耐火材料等无机材料，塑料和有机材料以及木材等，几乎所有的固体材料都可作为基体，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层加以改善。(5)物耗少，物流小，附加值高，经济效益突出。陶瓷涂层厚度一般在几十微米到几毫米之间，陶瓷材料密度小，因而物耗少，物流量小，但附加值却很高。(6)制造陶瓷复合粉末的方法多，调整涂层成分比较容易。制造陶瓷复合粉末的方法有熔炼破碎法、烧结法、团聚或喷雾干燥法、包覆法、化学反应共沉积法、溶胶法、团聚等离子体球化法、自蔓延法等，能够配制多种组分和配比的陶瓷复合粉末，调整涂层成分比较容易。(7)可以不受工件尺寸和施工场所的限制。喷涂陶瓷涂层的产品可以是短、小、轻、薄的制品，如氧探测器、固体燃料电池等；也可以是重型、大型制品，如大型液压缸用超大型陶瓷涂覆活塞杆，既可在热喷涂工厂内施工，也可在现场施工。(8)陶瓷涂层沉积速率较快，涂层厚度可控。热喷涂技术沉积陶瓷涂层的沉积速率比pvd, cvd、电火花沉积等要快。采用水稳等离子喷涂a1203，涂层厚度可达20 mm。而微束等离子喷涂，其厚度仅有十几微米。(9)陶瓷涂层可加工性好，涂层损坏后，金属基体可再使用，再喷涂陶瓷涂层。(10)成型容易。能够在薄壁件、空心件和异形件表面喷涂陶瓷涂层，也可实现制品局部喷涂陶瓷涂层强化。(11)容易与原有金属加工的工装条件结合，实行企业的技术改造。应当指出，陶瓷涂层亦有其固有的弱点，主要表现在以下几个方面:(1)陶瓷涂层有着陶瓷材料塑性变形能力差、对应力集中和裂纹敏感、抗热震和抗疲劳性能差、质脆的固有弱点。(2)陶瓷涂层材料与金属的热物理性能(如膨胀系数、热导率等)差别大，在使用过程中可能产生不同的应力状态，影响其使用性能和寿命。(3)陶瓷涂层与基体材料的结合主要为机械结合或分子结合，结合强度不高。1.4.3 陶瓷涂层材料的应用和发展前景 陶瓷材料的不足之处是抗弯强度低、韧性差，属本质脆性材料，在很大程度上影响了其在结构件上的应用15。因此，为改善其脆性，增加强度，利用热喷涂技术在金属表面上制备陶瓷涂层，将其特点与金属材料的优点结合起来，获得各种功能的表面强化涂层，正在成为当代复合材料领域的一个重要分支。等离子喷涂陶瓷层作为一种先进的工业技术，应用范围也在随着高新技术的发展而不断拓展，在表面处理工业中地位越来越重要，应用范围也在随着高新技术的发展而不断拓展，但仍存在下列有必要作深入系统的研究问题:(1)与现代电子、计算机技术、传感器、测试技术、自动化技术、机器人技术、真空技术相结合，通过对工艺参数、材料的规范化，建立规范的等离子弧喷涂陶瓷涂层的质量保证体系，从而实现工业化批量生产的产品的质量可靠性、稳定性和重现性。 (2)能从根本上解决陶瓷涂层同金属基体界面的结合问题的方法，及以低成本、高效率获得无缺陷涂层的工艺。(3)等离子弧或者等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官，并辐射出红外、紫外线等对人眼、皮肤伤害极大，因此需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子弧喷涂机，因而可从根本上改善工作环境。(4)国产等离子弧喷涂机的性能不稳定，在工作中经常断弧，其原因是电控系统不稳定，有必要迅速改进。1.5 课题研究意义在目前被人们所广泛采用的喷涂方法中，等离子喷涂由于其喷射速度高、焰流温度高、热量集中，不仅可喷涂一般材料，而且可喷涂熔点较高的难熔金属及氧化物陶瓷材料，且喷涂层致密、结合强度高，具有显著的经济效益，因此在许多工业部门中获得了越来越广泛的应用16。随着科学技术的迅速发展，一些部件的服役条件更加苛刻，对其性能的要求也不断提高。工程陶瓷由于其内在特性而具有高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明特征，因而具有优良的耐磨、耐热、耐蚀等性能，可起到金属材料难以起到的作用。但由于其塑性变形能力差、抗热震和抗疲劳性能差、对应力集中和裂纹敏感、质脆、机械加工困难、成本高等弱点，工业应用难度很大16。采用等离子喷涂技术，在韧性良好的金属基体上制备陶瓷涂层，把金属材料的高韧性、塑性和热导率与陶瓷涂层的耐磨、耐热、耐蚀性能有机结合，就成为一类性能优异的复合材料,解决了工程陶瓷材料应用时机械性能差、机械加工困难、成本高等缺点，使得工程陶瓷材料在工业上得到了广泛的应用17。由于al2o3陶瓷涂层良好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐氧化性、以及电绝缘性，加之al2o3来源广、价格低廉，成为等离子喷涂陶瓷涂层的主要材料之一。因此，本文以al2o313wt.%tio2作为喷涂材料，研究在低碳钢表面沉积的陶瓷层的组织结构和性能。1.6 研究内容课题研究的是等离子粉末喷涂，利用等离子喷涂设备在q235钢表面喷涂一层等离子喷涂al2o3-13wt %tio2(以下简称为at-13)陶瓷粉末。通过显微硬度实验、金相检测和孔隙率的测定、磨料磨损实验及快速磨损实验、x-射线衍射实验和扫描电镜实验对at-13涂层的组织结构和性能进行分析，寻找解决易磨材料表面耐磨性的最佳工艺方法，得到理想的耐磨涂层，使得表层材料耐磨损，保证基体材料的强度。第二章 试验材料及试样制备2.1 实验材料2.1.1 基体材料试验采用的基体材料为q235钢，q235钢属于珠光体普碳钢，其强度和韧性较好。其主要化学成分如表2-1所示。csimnsp0.12-0.170.300.30-0.700.0450.040表2-1 q235钢的化学成分2.2 喷涂材料2.2.1 粘结层材料 试验选用等离子喷涂al2o3-13wt %tio2(简写为at-13)陶瓷涂层的打底层材料为ni-al合金粉末，其粒度范围为140m260m，化学成分如表2-2所示。选用ni-al合金粉末做为at-13涂层的打底层是由于陶瓷工作层与基体的热膨胀系数相差较大，不利于涂层的结合，易产生涂层脱落，而ni-al涂层的热膨胀系数与基体相近，能够形成结合强度较好的涂层。nial7017-20表2-2 ni-al合金粉末化学成分2.2.2 陶瓷层材料喷涂材料选用的是al2o3-13 wttio2 （即at-13）金属陶瓷粉末，这是因为许多研究报告表明，在所有al2o3tio2涂层中，当al2o3tio2涂层中tio2含量为13 wt.%（即重量比为13）时，涂层的耐磨性最佳。at-13复合粉末的化学成分和物理性能如表2-3所示。样品化学成分（%）（质量）熔点（）粒度（um）密度（gcm3）流动性tio2al2o3其他at-1313余量-1840-40+203.86较好表2-3 at-13复合粉末的化学成分和物理性能2.3 实验设备实验设备具体设备名称及型号如下：（1）praxair大气等离子喷涂系统（如图2-4），包括：praxair 3710型喷涂控制系统、praxair 1264型送粉系统、praxair hps100型电源系统、praxair vr-hp20-a00型喷涂机器人、praxair sg-100p型喷嘴、ams pc-15ac冷却水循环系统、ams 9200型除尘器等；（2）ams9080p型喷砂成套设备，包括喷砂机、空气压缩机和工作转台等；（3）水切割机和砂轮切割机；（4）xjz-6型光学显微镜；（5）p-2型金相试样抛光机；（6）d-maxll a型x射线扫描仪；（7）jsm-5600lv型扫描电镜分析仪；（8）nikon epiphot300型金相显微镜；（9）hxd-1000型显微硬度分析仪；（10）skoda-savin型快速磨损试验机；（11）消盘磨损试验机；（12）fa2004n型电子天平（精确度为万分之一克）等。（a） （b）图2-4 praxair大气等离子喷涂系统2.4 涂层的制备2.4.1 喷涂方法在喷涂前，首先要在喷涂的基材表面采用16#棕刚玉进行粗化处理。将基材待喷面用34大气压压缩空气在100300mm范围内进行喷砂处理，直至试样表面无反光后停止喷砂。再用压缩空气将喷砂表面沙粒清除干净。喷涂时等离子弧对试样具有较大吹力，为了防止基体试样移位，将基体试样固定，试验均采用可编程控制的up6型机器人控制喷枪进行喷涂。2.4.2 涂层设计及工艺参数先在q235基体上喷涂粘结层ni-al，然后再喷涂al2o313 wt %tio2(即at-13)陶瓷粉末获得陶瓷层。表2-5 基体及各涂层厚度厚度q235 基 体3.88 mmni-al打底层200 mat-13 陶瓷层340 m表2-6 等离子喷涂工艺参数参数ni-al打底层at-13涂层电流（a）600650电压（v）3737主气ar(psi)6060次气h2(psi)5050送粉气ar(psi)5050送粉速度(g/min)2.52.5喷涂距离(mm)100100喷涂速度(mm/s)8008002.4.3 喷涂步骤（1）q235钢基体表面的粗化和净化：在喷涂前，用16棕刚玉砂对试样表面做喷砂处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、烘干；（2）固定喷涂试样：由于等离子喷涂过程中等离子焰流的吹力较大，喷涂前必须将试样固定在转台上；（3）根据等离子喷涂参数喷涂ni-al粘结层；（4）根据等离子喷涂参数喷涂al2o313 wt %tio2陶瓷工作层。2.4.4 喷涂后处理喷涂结束后不能马上拿取工件，因为等离子喷涂温度很高，喷枪火焰中心温度在 10000以上，所以喷出的颗粒温度也很高。在室温下冷却至常温后取下工件，立即进行封孔处理，防止涂层吸附潮气而影响质量。所选材料为微晶石蜡，可以借助涂层的余热溶化封孔。2.5 涂层性能试验2.5.1 显微硬度试验试验设备：hxd-1000型显微硬度计。试验参数：载荷：50 g 时间：15 s试验方法：首先，涂层试样的制备要能在显微镜视场中辨认出各种组织和形貌，以便选择有代表性的测点。金刚石菱形压头（如图2-7）的载荷有25g、50g、100g等几个等级，视不同硬度涂层组织结构选用。显微硬度及所产生的压痕小，能在所选择的颗粒或相结构中压痕区分开。其压痕的深度，有载荷一起的应力变形“影响区”，能被限制在进行试验的颗粒范围内，所以能较准确表征涂层硬度性质。显微硬度的数值可能有正常分散的情况，因此，至少应选取8个读数，绘制出硬度变化曲线。图2-7 金刚石菱形压头2.5.2 涂层的金相检测和孔隙率的测定试验设备：水切割机、烘干机、砂纸、金相试样抛光机、xjz-6型光学显微镜、nikon epiphot300型金相显微镜。试验方法：（1）用水切割机将喷涂后的试样切开。（2）取切割后的试样依次在粒度为280#，320#，400#的砂纸上粗磨，然后在600#，1000#的砂纸上细磨，磨至表面十分光滑、仅有均匀细微划痕为准。然后用粒度为2.5m的抛光剂在抛光机上抛磨好的试样，至表面为光滑镜面反射无划痕为准。（3）抛光完成后将试样用酒精冲洗并吹干。在光学显微镜下观察确认试样符合要求后，用epiphot300型金相显微镜拍摄金相照片。（4）利用金相照片进行金相分析和孔隙率的测定。2.5.3 磨料磨损试验试验设备： ml-10销盘磨损试验机（磨损试验示意图如图2-8）、分析天平试验参数：砂纸粒度为280目，试样大小：6.57mm2实验运行初始刻度：107mm ，终止刻度：39mm分析天平： 精确度0.0001g 载荷：5kg 转速：60r/min试验方法：将砂纸或砂布装在圆盘上，作为试验机的磨料。然后将at-13试样及等离子喷涂ni60涂层对照试样分别制作成截面为33.5的方体，之后利用ab胶将他们分别粘在同样直径的销钉上，在一定负荷压力下压在圆盘砂纸上。在磨料磨损试验机上，首先进行预磨，使整个表面与砂纸充分接触，再用电风吹吹干最后放在电子天平上进行称量，这个重量为试样的初始重量。而后用相同的载荷对两个试验分别进行磨损试验，记录下失重量，做出磨损失重量对比曲线。2.5.4 快速磨损试验试验设备：skoda-savin型快速磨损试验机试验参数：载荷：5 kg 转速： 675 r/min 转数： 3000转 磨轮为硬质合金材质，尺寸为： 直径：30 mm 厚度：2.5 mm试验方法：取一喷焊涂层试样和等离子喷涂ni60涂层对比试样，选定合适的参数，分别作磨损试验，每块试样进行三次磨损试验。最后通过在显微镜下测定磨痕大小并经查表得到磨损体积图2-8 快速磨损示意图1.工件 2.硬质合金轮 3.喷油嘴2.5.5 x射线衍射试验试验设备：d-maxll a型x射线扫描仪试验参数：采用铜靶x射线管，管电压40kv，管电流30ma，功率：2kw、测量2范围2100试验方法：（1）将实验所用的ni-al粉和at-13粉放在试样槽后，在cu靶x射线扫描仪下进行扫描，绘制曲线，并进行物相分析确定。（2）将试样表面稍稍磨平，放在cu靶x射线扫描仪下进行扫描，绘制曲线，并进行物相分析确定。2.5.6 扫描电镜试验试验设备：jsm-5500lv扫描电镜（如图2-9）试验方法：将实验所用ni-al、at-13粉末、制备好的涂层断口试样、金相试样、涂层表面试样、经销盘磨损和快速磨损试验的试样的磨损表面放在扫描电镜下行观察。图2-9 js-5500lv扫描电镜第三章 试验结果及分析3.1 喷涂粉末试验分析3.1.1 ni-al粉末的sem及x射线衍射分析本试验所用的ni-al粉末与基体结合强度高，主要用于打底喷涂，涂层具有抗氧化性,工作温度800；也可作为工作涂层或工件的表面修复。与普通碳钢、合金钢、不锈钢、氮化钢、铸铁、铸钢、镍、镁、锆、钛、蒙乃尔合金、镍铬合金均能实现良好的微冶金结合。选用ni-al合金粉末作为at-13涂层的粘结层是由于陶瓷工作层与基体的热膨胀系数相差较大，不利于涂层的结合，易产生涂层脱落，而ni-al涂层的热膨胀系数与基体相近，能够形成结合强度较好的涂层。图3-1是ni-al粉末的sem图片。从图中可以看出，颗粒团聚在一起形成不规则椭球状，粒度分布不均匀，范围约为40120um。图3-1ni-al粉末的sem照片图3-2则是ni-al粉末的x射线衍射图。图中ni的衍射峰值明显比al的衍射峰值多而且峰值较大，从而可知ni-al粉末中镍的含量要多于铝的含量且除ni和al外基本没有其他杂质。图3-2 ni-al粉末的x射线衍射图3.1.2 at-13粉末的sem及x射线衍射分析图3-3是at-13金属陶瓷粉末的sem图片。通过图片可以看出at-13的粉末为扁平状颗粒，颗粒外形有明显的刃锋和平面等特征，并且颗粒之间挨得比较紧密，颗粒粒度为 - 40+20um 。图3-3 at-13粉末的sem图图3-3为at-13粉末的x射线衍射图。图中主要是-al2o3和tio2的衍射峰，还有少许其他元素的衍射峰，可以得出at-13粉末的主要成分是-al2o3和tio2，另还有微量其它杂质。图3-4 at-13粉末的x射线衍射图3.2 涂层金相分析金相分析主要是采用不同类型的光学显微镜对涂层的结构、物相、气孔、夹杂等进行分析和检验，进行定性或定量的评定，以研究涂层结构和性能之间的关系。3.2.1 涂层金相显微照片试验分析图3-5中显示的是试样的整体截面金相，其中最上方一小片白亮区域为基体层（q235层），黑色区域上方为黑灰色区为at-13涂层，图中位于at-13涂层上方的灰白色区域则为粘结层（即ni-al层）。此外，从图3-5还可以看出，at-13涂层与ni-al涂层的结合比较紧密。由图3-6和图3-7可以看出，at-13涂层呈典型的层片状结构，这是由等离子喷涂的间歇性所导致的。图3-7是在 500倍显微镜下的涂层表面形态，可以清晰地看到在涂层中al2o3占据主要部分。图3-8和图3-9是ni-al粘结层的金相照片。该涂层同样也有着等离子喷涂的典型的层片状结构，其中黑色处为孔隙，这是由于在喷涂过程中，等离子火焰流吸收环境中的气体所致。此外，由图3-8可以看出ni-al层比较光滑，存在一定量的孔隙，但没有微裂纹。这是由于ni-al为金属合金在喷涂过程中金属粉末颗粒熔化较完全，熔化的粉末颗粒在碰到基体后产生变形，平铺性好，表现为较光滑的粘结层形貌。图3-5 涂层截面金相照片图3-6 at-13涂层金相照片 图3-7 at-13涂层金相照片图3-8 ni-al涂层金相照片 图3-9 ni-al涂层金相照片3.2.2 at-13涂层sem及x-衍射试验分析sem是利用扫描电子束从样品表面激发出二次电子来调制成像的，放大倍数可达30万倍左右。通过sem观察可精确测定涂层厚度和观察涂层内组织结构。图3-10至图3-12为等离子喷涂at-13涂层表面及截面的sem照片。图3-13为等离子喷涂at-13涂层的x衍射分析图。由图3-10等离子喷涂at-13涂层的sem照片可以看出，涂层的层片较清晰，有未熔的颗粒，有孔洞。此外照片中能够看到涂层孔隙和颗粒，涂层孔隙是在喷涂时颗粒收缩，后打上的颗粒不能完全填补空隙而留下的。涂层颗粒呈现扁平状，是因为颗粒在等离子喷涂中高速撞击到基体表面，球形颗粒发生形变，在后面颗粒的挤压和温度降低的状态下不能回到球形颗粒，以扁平状堆积形成涂层。涂层中间还有许多小颗粒，这是涂层杂质，在喷涂材料中有微量的其它元素，在喷涂时一同被喷涂到基体表面，夹杂在涂层中。图3-11表示的是等离子喷涂at-13涂层和ni-al涂层的截面结合照片。从图中可以看出，at-13涂层没有ni-al涂层那么光滑致密。这是由于at-13涂层的粉末是陶瓷颗粒，熔点较高，喷涂中存在不完全熔化的al2o3颗粒而致使涂层不够紧密；而ni-al涂层在喷涂过程中，其ni-al金属粉末熔化比较完全，涂层贴合比较紧密。图3-12则是at-13涂层截面的1000倍的sem照片。从照片中可以看出，涂层呈层片状，且中间夹有白色和黑色斑点。图中白色点为al2o3，这是由于喷涂过程中温度很高tio2熔点低变为熔融状态，可以把大量的al2o3粘结在一起，形成大块颗粒聚集在涂层中，使这一区域集中体现出 al2o3 的灰白色。黑点则为孔隙。此外，从图3-12并结合图3-6和3-7，可以发现涂层颗粒呈现扁平状，这是因为颗粒在等离子喷涂中高速撞击到基体表面，球形颗粒发生形变，在后面颗粒的挤压和温度降低的状态下不能回到球形颗粒，以扁平状堆积形成涂层。涂层中间有涂层杂质。图3-13是at-13等离子喷涂涂层x射线衍射图，对比at-13粉末x射线衍射图可以得知在等离子喷涂过程中at-13粉末发生了相变，at-13 粉末中-al2o3一部分会转变成- al2o3和- al2o3，在x射线衍射图中可以看到- al2o3占的比重比- al2o3多。随着涂层中物质发生相变涂层的性能也会随之发生改变。图3-10 at-13涂层表面形貌图3-11 涂层金相截面形貌 图3-12 at-13涂层截面形貌图3-13 at-13涂层表面x-射线衍射图3.2.3 涂层断口形貌分析从图3-14中的断口形貌中可以看出，上边颗粒较多的是at-13涂层，而下边则是ni-al涂层，at-13涂层明显没有ni-al涂层那么光滑致密。这是因为at-13涂层中含有未完全熔化的al2o3，而al2o3粉末是陶瓷颗粒、熔点较高，喷涂中存在不完全熔化颗粒而致使涂层不够紧密，图中白亮处即为al2o3颗粒；而ni-al涂层在喷涂过程中，ni-al铝金属粉末熔化比较完全，涂层贴合比较紧密，形成了典型的等离子喷涂层片状。图3-15 ni-al涂层断口形貌更加清晰地显示了ni-al涂层的层片状形貌。层片状的ni-al涂层由于贴合比较紧密，在断裂过程中呈片状脱离，因而其断口形貌呈坑洼状，并可看到片层间脱离后留下的凹坑和光滑片层。图3-16 at-13涂层断口形貌则含较多未完全熔化颗粒，这是由于部分al2o3在喷涂过程中未能完全熔化所致，在未熔化颗粒较多处应力比较集中，因而在断裂过程中颗粒与颗粒之间分离、脱落，从而暴露出其内部真实形态。形貌中的灰色处为熔化了的al2o3，而黑色部分为孔隙。图3-14涂层断口形貌图3-15ni-al涂层断口形貌 图3-16 at-13涂层断口形貌3.2.4 涂层密度及孔隙率检测测量涂层孔隙率的方法很多，本实验采用直接称量法，先测定的涂层密度与涂层材料的真密度进行比较，即利用公式：试验结果列于下表表3-17。n1n2n3n4n5平均值涂层密度( g/mm3 )3.663.623.653.623.643.64涂层气孔率（ % ）5.26.25.46.25.65.7表3- 17测量结果本文分析气孔的形成有如下几点原因：第一，等离子喷涂时，熔化的颗粒经历碰撞、变形、凝固形成准圆小薄片，这个过程的时间很短，而不会出现第二个可靠、颗粒撞击到没有凝固的前一个颗粒上的情况，这样就形成由小薄片叠加而成层状结构的涂层，同样由于从碰撞到凝固的时间很短，熔化颗粒不可能完全填充到前一个已铺开的小薄片边角处，从而涂层中必出现孔隙；第二，由于在喷涂过程中，熔融的颗粒与喷涂工作气体及周围空气进行化学反应，使得喷涂材料经过喷涂后出现氧化物，还有因为颗粒的反弹散失，在颗粒与颗粒之间也是会出现杂质和孔隙的；第三，孔隙的多少还与喷涂材料与基体的润湿性有关。如果当喷涂材料温度过低的话，材料的流动性能会非常差，一方面不能将粉末材料彻底的达到熔融状态，另一方面材料的流动性不高，不能充分的流入到上一层