超音速火焰喷涂制备Cr2AlC涂层组织性能分析

何艾

摘 要： 超音速火焰喷涂是一种高速火焰喷涂技术，发展于上世纪80年代，具有良好的喷涂质量，Cr2AlC涂层应用该技术制备时，可获得良好的组织性能。本文即在介绍超音速火焰喷涂技术基础上，以实验方式分析了其制备的Cr2AlC涂层的组织性能。

关键词： 超音速火焰喷涂；Cr2AlC涂层；组织性能

前言：迄今为止，在MIX类化合物中，被认为具有最好的抗氧化性能的化合物即为Cr2AlC、Ti2AlC，因其高温条件下的抗氧化性能及稳定性十分突出，吸引了大量学者研究其以抗氧化保护涂层的方式应用到高温领域。目前，工业领域制备涂层时，最常用方法为超音速火焰喷涂，该方法制备出来的涂层具有较低的孔隙率、较高的界面结合强度，在碳化物涂层制备中非常适用。

1超音速火焰喷涂技术介绍

超音速火焰喷涂技术属于热喷涂技术，发明者为Browing（美国），发明时间为1981年。喷枪为该技术的核心设备，构成为燃烧室、Laval喷嘴、等截面长喷管，煤油等液体经小孔进入燃烧室，雾化作用下混合氧气，被点燃，气相反应强烈发生，反应产物在燃烧热能刺激下剧烈膨胀，此时Laval喷嘴约束流经的膨胀气流，使超音速高温焰流形成，喷涂材料被焰流加热加速，高强度、致密的结合基体表面，形成涂层[1]。超音速火焰喷涂技术具有非常高的火焰速度，但相对具有较低的温度，为300℃左右，喷涂过程中，可有效抑制WC-Co系硬质合金的分解，从而提高涂层的结合强度及致密性，并增强涂层的耐磨损性能，使其耐磨损性能相当于爆炸喷涂层。

2超音速火焰喷涂制备Cr2AlC涂层的组织性能实验分析

2.1制备Cr2AlC涂层

Cr2AlC化合物粉末制备方法为粉末冶金烧结法，以Cr粉、C粉、Al粉作为原料，原料配比采用2：1.2：1。以玛瑙球作为介质球磨原料粉末混合物，共进行12h。利用真空烧结炉实施粉末冶金烧结，真空度1×10-2Pa，烧结过程划分为低温段和高温段两个阶段，低温段时，温度由室温升高到630℃，升温缓慢进行，速度控制为10℃/min，达到目标温度后维持2h；高温段时，温度由630℃升高到1350℃，升温快速进行，速度20℃/min，达到目标温度后维持2h。烧结后，利用高能球磨破碎粉末，涂层制备过程中使用的粉末粒度选择2种：40～48μm、-40μm，制备方法为超音速火焰喷涂。

2.2性能测试和表征

测量Cr2AlC粉末的氧、C含量时，方法分别选择惰性气体脉冲红外热导法、高频燃烧红外法。分析粉末及涂层的相结构时，仪器采用X′Pert PRO MPD型X射线衍射仪，以Cu靶作为阳极靶，电压、电流设置为40kV、40mA，扫描速度8°/min，扫描步长0.02°，每步进行20s停留。线切割喷涂试片，变为小试样，规格5mm×5mm×10mm，以树脂镶样作为样品界面，研磨操作利用金相砂纸逐级进行，达到1200目后停止，表面利用1.5μm金刚石抛光液抛光，腐蚀处理后，观测样品，仪器为扫描电镜、光学显微镜。涂层断层组织形貌观察仪器为场发射扫描电镜，并利用配套能谱仪开展能谱分析。应用金相样品开展显微硬度测试，涂层表面显微硬度测试采用显微硬度计。

2.3组织性能分析

2.3.1粉末和涂层相结构分析

粉末相含量确定后，通过定量分析，将粉末中Cr2AlC单向含量计算出来，结果显示超过98%，Al2O3为第二相，含量则不超过2%。Cr2AlC粉末中，氧含量、C含量测定结果分别为1.56%、8.23%。球磨混料过程中，Al自身会发生氧化，再加上高温制备Cr2AlC粉末期间也会发生氧化，使粉末含有氧；而C含量基本一致于Cr2AlC的化学配比。粉末微观组织经扫描电镜观察，结果显示，具有均匀的颗粒尺寸，分布分散程度较高，团聚现象不存在。综合上述分析，Cr2AlC化合物粉末利用真空烧结法制备时，特点为具有较高的单相纯度、颗粒均匀的分散，与Cr2AlC涂层应用超音速火焰喷涂法制备的要求相符合。涂层制备后，XRD分析结果显示，尽管粉末粒度不同，但具有基本相同的相组成。

2.3.2涂层微观组织结构

根据涂层截面金相照片，涂层厚度均超过200μm，具有均匀的微观组织，内部结构紧密性非常强，裂纹并未明显的存在。利用“灰度法”统计涂层的孔隙率，粉末粒度为40～48μm时，孔隙率6.9%左右；粉末粒度为-40μm时，孔隙率4.4%左右。观察涂层截面形貌图发现，超音速喷涂形貌特征明显存在：扁平化层状堆叠在熔融颗粒高速冲击下形成，原因是飞行粒子在喷涂过程中会高速撞击基体，使粒子变为扁平化，并在基体上焊扎；同时，堆垛孔隙、横向裂纹等存在于涂层中[2]。能谱分析结果显示，区域具有较深颜色的，与Cr2AlC化学计量比大致符合，而具有较浅颜色的则明显具有较低的Al含量，与涂层XRD结合发现，Cr7C3衍射峰现象存在，推断Cr7C3化合物由浅色区域部分Cr2AlC分解形成。

2.3.3涂层的显微硬度

显微硬度测试时，每个样品的测试点随机选择5个，测试结果显示，具有较为集中的显微硬度值，大范围波动现象并不存在，这说明，涂层具有均匀的组织，内部较少存在孔隙。同时，分别分析不同粒度粉末制备的涂层，发现40～48μm粒度的涂层平均显微硬度值低于-40μm粒度涂层，参照孔隙率测试结果可知，与40～48μm粒度涂层相比，-40μm粒度涂层具有更高的致密度，也反映出粉末粒度会一定的影响涂层的致密度。

结论：Cr2AlC涂层利用超音速火焰喷涂法制备时，其相结构基本一致于Cr2AlC粉末，氧化现象并不会明显的出现在喷涂的粉末中，粉末粒度越小情况下，越能提高涂层的致密度。

参考文献

[1]杨思泽.超音速火焰喷涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂层耐冲蚀性能研究[J].风机技术，2017，59（02）：66-70.

[2]门向东，陶凤和，甘霖，等.超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr与WC-Co涂层高温結合性能研究[J].人工晶体学报，2015，44（07）：2005-2010.