等离子喷涂Ni5Al-Al2O3复合涂层的组织结构与性能

姜 帆， 宫文彪， 孙枫乔

(长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春 130012)



等离子喷涂Ni5Al-Al2O3复合涂层的组织结构与性能

姜 帆， 宫文彪*， 孙枫乔

(长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

采用大气等离子喷涂(APS)技术在50 V/700 A工艺参数下制备Ni5Al-Al2O3复合涂层。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等对涂层的组织结构进行了表征。结果表明：涂层与基体为机械结合，涂层呈层片状结构，孔隙率为9.84%；涂层主要以亚稳相γ-Al2O3为主并含有一定量Ni-Al化合物以及Ni单质，涂层组织间的硬度存在差异。

大气等离子喷涂(APS)； Ni5Al-Al2O3涂层； 组织结构

0 引 言

等离子喷涂是利用等离子焰流来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层。喷涂粉末被送粉气载入等离子焰流，加热至熔化或半熔化状态，高速撞击在经过粗化处理的洁净零件表面产生塑性变形，粘附在零件表面[1]。由于等离子喷涂具有的高沉积效率、高结合强度，以及焰流温度高、工艺稳定、涂层质量高等优点，使其在表面改性方面得到广泛应用[2]。目前，在众多喷涂材料中氧化铝陶瓷的应用尤为突出，氧化铝陶瓷具有高熔点、高强度以及化学稳定性好等特点，作为结构和功能材料已有较广泛的研究。以氧化铝为基体，掺杂不同粉末颗粒制备具有不同特性的复合材料也日益受到重视[3-7]。

文中以在Al2O3粉末中添加Ni5Al作为喷涂粉末，试验研究了在50 V/700 A条件下制得的Ni5Al-Al2O3复合涂层的组织结构。

1 试验材料和方法

1.1 试验原料与涂层制备

喷涂的基体材料采用Q235钢，试板尺寸为15 mm×10 mm×6 mm，涂层材料采用北京廊桥表面技术发展有限公司生产的Al2O3和Ni5Al粉末，粒度范围为-200~+325 目。采用不添加磨球的球磨机进行机械混合的方法获得Al2O3和Ni5Al混合粉末，其中Al2O3的质量分数为85%。喷涂前对基体进行除油、喷砂处理，具体喷涂参数见表1。

表1 等离子喷涂Ni5Al-Al2O3复合涂层工艺参数

1.2 涂层性能表征

采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜观察涂层截面和喷涂粉末形貌，用D-MaxIIA型X射线仪对涂层进行组织结构分析，扫描范围为20°~100°，扫描步长为0.05°。

1.3 涂层孔隙率测定

采用维恩金相分析系统来测定等离子喷涂涂层的孔隙率，试验选取5个涂层的截面测定孔隙率，取平均值作为涂层的孔隙率。

1.4 显微硬度测试

采用FM700型显微硬度计在研磨抛光的涂层截面和基体上进行显微硬度测量，载荷为100 g，加载时间15 s。由于等离子喷涂涂层为交错叠加的层片状结构，成分和组织分布不均匀，并存在一定的孔隙，测量的硬度值存在一定的起伏[8]。为此，本试验在试样的黑灰色组织(A)、白色组织(B)和基体上测量不同的5个点，分别取其平均值。

2 结果与分析

2.1 粉末特征

喷涂粉末SEM显微组织如图1所示。

(a) Al2O3 粉末

(b) Ni5Al粉末

(c) Ni5Al-Al2O3混合粉末

从图1(a)中可以看出，Al2O3原始粉末颗粒棱菱角分明，粉末粒度比较均匀；图1(b)中的Ni5Al粉末粒度相对较小,为大颗粒的长椭圆状。图1(c)为采用机械混合方法制备的Ni5Al-Al2O3混合粉末，小颗粒的Al2O3被夹杂在大颗粒的Ni5Al颗粒中，可以看出密度相差较大的两种粉末经机械混合后分布的比较均匀。

2.2 涂层显微结构特征

50 V/700 A参数下制备的涂层如图2所示。

(a) 涂层形貌

(b) 涂层放大形貌

图2是在喷涂参数为50 V/700 A条件下获得的涂层截面形貌，涂层厚度约为450 μm。熔化及软化的喷涂粒子经过等离子焰流的高温和高速撞击,在经过净化和粗化处理的凹凸不平的基材表面，熔化和变形的混合颗粒冷凝收缩后与基体表面的凹凸处机械咬合在一起，通过“抛锚效应”结合在一起形成涂层[8]。图2(b)是图2(a)涂层的放大形貌，从图中可以观察到，涂层中未熔化的Al2O3陶瓷颗粒较少，可见在较高的喷涂电流条件下，经过等离子焰流的粉末熔化得比较完全。处于熔化或半熔化状态下的粉末颗粒高速撞击到基体后出现扁平化效应，在后续颗粒的挤压作用和快速冷却的条件下以扁平状堆积形成层片状结构[9-10]。

2.3 涂层孔隙率

孔隙率是指试样中孔隙体积所占涂层的比率，它主要用来评定涂层的致密性，是衡量涂层质量的重要指标之一。文中采用维恩金相分析系统测得在50 V/700 A条件下所获得涂层的平均孔隙率为9.84%。

涂层中的孔隙主要来源于两个方面，一是涂层由熔化变形的粉末颗粒逐层堆叠形成，变形的粉末颗粒在堆叠的过程中不能够完全重叠，特别是温度和速度较低的粉末颗粒变形不充分，更容易产生堆叠不致密，从而形成孔隙；另外一个原因是熔融状态的粉末颗粒内部溶解有一定量的气体，在涂层的形成过程中，粉末颗粒由液态变为固态，随着温度不断的下降，气体在粉末颗粒内的溶解度降低，气体不断地从液相中析出。而变形粉末颗粒的固化又是一个快速凝固的过程，当析出的气体来不及从粉末颗粒内部逸出的时候，便保留在变形粉末颗粒内而形成孔隙。

2.4 涂层显微硬度

涂层显微硬度如图3所示。

图3 涂层显微硬度

图中黑灰色的组织标记为A，白色的组织标记为B，分别在A、B两种组织和基体上测试显微硬度，各测试5个点，并计算出不同组织的硬度平均值。经计算黑灰色的组织(A)平均硬度为858 HV，白色组织(B)的平均硬度为348 HV，基体平均硬度为231 HV。A和B两种组织出现硬度差异应该和涂层的组织结构有关。在本试验参数条件下，涂层中白色组织(B)的硬度均远高于黑灰色组织(A)的硬度。

结合XRD分析如图4所示。

图4 涂层XRD分析结果

涂层中包括Al2O3(主要以亚稳定相γ-Al2O3存在)[11]，Ni5Al3以及Ni的单质。因此，硬度高的白色组织(B)应为γ-Al2O3陶瓷，黑灰色的组织(A)应为Ni和Ni-Al的化合物。

3 结 语

1)利用等离子喷涂技术制得的Ni5Al-Al2O3复合涂层组织较为致密，涂层呈现出明显的层片状结构，涂层与基体为机械结合；

2)复合涂层的组织为亚稳的γ-Al2O3、部分分解产生的Ni的单质和Ni-Al化合物；

3)复合涂层的孔隙率为9.84%，涂层中不同的组织间硬度存在较大的差异，与组织的组成和孔隙有关。

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Study on microstructure and properties of
Ni5Al-Al2O3coating by plasma spraying

JIANG Fan, GONG Wenbiao*, SUN Fengqiao

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The Ni5Al-Al2O3composite coatings were deposited by air plasma spraying (APS) technology with the parameter of 50 V/700 A. The microstructure and properties of the composite coatings were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The results show that the composite coatings and the substrate is mechanical combination, and the porosity is 9.84%. With the parameter of 50 V/700 A, the composite coatings show clearly lamellar structure. The composite coatings mainly contain metastable phase γ-Al2O3and a certain amount of Ni-Al compound and Ni elemental. There is a difference between the hardness of the composite coatings microstructure.

air plasma spraying (APS); Ni5Al-Al2O3composite coating; microstructures.

2015-09-30

吉林省科技厅科技发展计划项目(20100454)

姜 帆(1987-)，男，汉族，吉林吉林人，长春工业大学实验师,长春工业大学硕士研究生，主要从事等离子喷涂工艺研究,E-mail:jiangfan@ccut.edu.cn. *通讯作者：宫文彪(1966-)，男，汉族，吉林梅河口人，长春工业大学教授，博士，博士生导师，主要从事材料连接和热喷涂方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.6.04

TG 174.453

A

1674-1374(2015)06-0613-04