楊 焜 ，鄧暢光 ，劉 敏，福本昌宏

1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650；2.日本國(guó)立豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)，愛(ài)知 豐橋 4418580

熱噴涂技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域.熱噴涂的涂層是由粉末顆粒的熔滴堆垛而成的.因此，單個(gè)顆粒熔滴在熱噴涂過(guò)程中的沉積行為，對(duì)涂層的性能有非常重要的影響.熔滴在基體表面的沉積行為可分為三個(gè)階段：熔融顆粒撞擊基體表面，然后在初始動(dòng)能及慣性的作用下沿基體表面鋪展，最后凝固在基體表面形成沉積物（涂層）.

本研究通過(guò)觀察采用大氣等離子噴涂在SUS304不銹鋼基體上沉積Cu，Ti，Al和Fe粉末時(shí)的沉積物形態(tài)，研究不同粉末熔滴在熱噴涂時(shí)的沉積行為，以期達(dá)到優(yōu)化涂層制備過(guò)程的目的.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用粉末是直徑為數(shù)十微米的Cu，Ti，Al及Fe粉，其形貌如圖1所示.基體為SUS304不銹鋼，噴涂前，經(jīng)砂紙打磨后再用0.3μm 的Al2O3進(jìn)行拋光處理并保持表面清潔.

利用等離子噴涂設(shè)備在大氣環(huán)境中進(jìn)行噴涂，噴涂參數(shù)列于表1.將經(jīng)過(guò)鏡面拋光的基體置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，在靠近基體處放置一帶有直徑3cm 小孔的擋板，可避免在噴涂過(guò)程中由等離子焰流帶來(lái)的熱量引起基體溫度變化所產(chǎn)生的對(duì)顆粒沉積行為的影響，在低送粉量的條件下，當(dāng)?shù)入x子射流穩(wěn)定后，搖動(dòng)與擋板相連的手柄使等離子射流中心、擋板上的小孔及基體處于同一水平線上，既可保證一定數(shù)量的熔融粉末通過(guò)擋板上的小孔沉積到基體表面，又可保證基體溫度不會(huì)有顯著地變化.

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)沉積物的形貌進(jìn)行初步觀察；再選擇典型的單個(gè)沉積物，利用電子掃描電鏡（SEM）對(duì)其正面形貌進(jìn)行觀察；利用聚焦離子束（FIB）對(duì)典型的單個(gè)沉積物進(jìn)行切割，然后利用離子掃描電鏡（SIM）對(duì)單個(gè)沉積物與基材的接觸狀況及截面形態(tài)進(jìn)行表征.

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Table 1 Plasma spraying processing parameters

圖1 噴涂用粉末形貌（a）Cu；（b）Ti；（c）Al；（d）FeFig.1 Morphologies of used powders

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒沉積物的正面形貌

圖2為采用大氣等離子噴涂不同粉末顆粒在SUS304基體上的沉積物形貌.由圖2可見(jiàn)，Cu粉和Fe粉沉積物呈明顯的濺射特征，Al粉的沉積物有輕微濺射，而Ti粉的沉積物為規(guī)則的盤(pán)狀，幾乎沒(méi)有濺射.

圖2 不同粉末在304不銹鋼基體上的沉積物形狀（a）Cu；（b）Ti；（c）Al；（d）FeFig.2 Splat shapes of different powders thermally sprayed onto SUS304substrate

為深入了解不同粉末在熱噴涂過(guò)程中在基體表面的沉積行為，利用掃描電鏡對(duì)單個(gè)粉末顆粒沉積物的正面形貌進(jìn)行了詳細(xì)的觀察.四種粉末顆粒沉積物的正面形貌如圖3所示.

圖3 不同粉末顆粒在304不銹鋼基體上的沉積物的正面形貌（a）Cu；（b）Ti；（c）Al；（d）FeFig.3 Top surface morphologies of different powders thermally sprayed onto SUS304substrate

由圖3（a）可見(jiàn)，Cu粉末顆粒沉積物的中心部位表面光滑，有少量氣孔，沉積物的中心邊緣呈鋸齒狀，應(yīng)為濺射后留下的痕跡，有環(huán)狀濺射物圍繞在中心周?chē)⑴c之分離，表明熔滴在碰撞基體后的濺射十分劇烈.

由圖3（b）可見(jiàn)，Ti粉末顆粒沉積物呈規(guī)則的盤(pán)狀，邊緣光滑，幾乎無(wú)濺射.在沉積物的表面可見(jiàn)大量網(wǎng)狀裂紋，由沉積物的中心向周?chē)鷶U(kuò)展至整個(gè)沉積物，這些裂紋可深至沉積物底部到達(dá)基體.

由圖3（c）可見(jiàn)，Al粉末顆粒沉積物有部分短而薄的濺射物，沉積物的中心部位所占比例極大，濺射物與中心部相連.由于Al的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于等離子焰流溫度，當(dāng)Al顆粒進(jìn)入等離子焰流中被加溫加速后，Al顆粒充分熔化乃至有部分被氣化.因此，Al熔滴在撞擊基體時(shí)，充分熔化層由于粘性較低而在基材表面充分鋪展，故其濺射物遠(yuǎn)比Cu和Fe的薄.

由圖3（d）可見(jiàn)，F(xiàn)e粉末顆粒沉積物呈典型的濺射特征，其濺射物形似蛛網(wǎng)，細(xì)而長(zhǎng)且橫向相連，可見(jiàn)濺射是比較劇烈的.

2.2 顆粒沉積物截面形貌

熔滴與基體界面的熱傳遞、潤(rùn)濕等因素對(duì)熔滴在基體表面的沉積有至關(guān)重要的影響，通過(guò)沉積物的顯微組織特征可反應(yīng)出粉末顆粒在基體表面的鋪展及凝固的過(guò)程.圖4為四種粉末的單個(gè)顆粒沉積物中心部位的截面形貌.

由圖4（a）可見(jiàn)，Cu粉末顆粒的沉積物與基體的界面明顯，沉積物中心部與基體的結(jié)合良好，邊緣部位與基體的結(jié)合不夠好.在靠近沉積物的上表面，可見(jiàn)大量規(guī)則的柱狀晶在垂直于沉積物與基體的界面上生長(zhǎng)（箭頭1處）；在靠近沉積物與基體接觸的界面處可見(jiàn)一層很薄的細(xì)小晶粒（箭頭2處）.在沉積物與基體界面處可見(jiàn)大量的孔洞存在，且主要集中在沉積物底面的中心部位（箭頭3處），箭頭4所示為沉積物內(nèi)部的氣孔.由于沉積物的邊緣處翹起狀（箭頭5 所示），此處的沉積物與基體不能緊密接觸.

圖4 不同粉末顆粒在304不銹鋼基體上沉積物的截面形貌（a）Cu；（b）Ti；（c）Al；（d）FeFig.4 Cross section morphologies of different powders thermally sprayed onto SUS304substrate

由圖4（b）可見(jiàn)，Ti粉末顆粒的沉積物與基體結(jié)合良好，沉積物與基材間界面清晰，無(wú)明顯氣孔及孔隙，邊緣部位與基體的結(jié)合亦很緊密.箭頭6所示為沉積物內(nèi)部的裂紋.

由圖4（c）可見(jiàn)，Al粉末顆粒的沉積物與基體結(jié)合良好，凝固組織致密，沉積物與基體界面及沉積物內(nèi)部均無(wú)氣孔，邊緣部分亦無(wú)翹起.

由圖4（d）可見(jiàn)，F(xiàn)e粉末顆粒的沉積物呈濺射狀，沉積物的中心部位有明顯的分層，兩層之間可見(jiàn)明顯的界面，沉積物上表面（箭頭7處）的一層較薄，與基體接觸（箭頭8處）的一層較厚.有研究表明［1］，F(xiàn)e粉末在等離子焰流中飛行時(shí)，粒子的表面先熔化并被迅速氧化，而核心部分熔化得不夠充分，不同的熔化狀態(tài)導(dǎo)致表面及核心部分的粘性不同，因此，熔滴表面和核心部位將發(fā)生對(duì)流，使得一部分表面氧化層被置換到了內(nèi)部，該氧化層熔滴在基體表面鋪展及凝固的過(guò)程中形成界面，導(dǎo)致多層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生.這一分層現(xiàn)象在其他三種粉末顆粒沉積物的截面尚未發(fā)現(xiàn).箭頭9和箭頭10處為Fe粉末顆粒沉積物內(nèi)部的氣孔，界面處還有較大的空隙（箭頭11處），在沉積物的邊緣可見(jiàn)明顯的翹起（箭頭12處），由此可見(jiàn)，F(xiàn)e粉末顆粒沉積物有明顯的濺射趨勢(shì).

2.3 討論

對(duì)采用大氣等離子噴涂Cu，Ti，Al及Fe粉末在不銹鋼304基體表面沉積物的正面及橫截面形態(tài)的觀察和分析表明，在相同的試驗(yàn)條件下，不同的粉末材料在基體上的沉積行為和沉積物的形態(tài)是不同的.

在Cu及Fe沉積物的內(nèi)部及界面處均存在孔洞，沉積物的邊緣有明顯的翹起，表明這兩種粉末在噴涂時(shí)濺射劇烈.已有研究表明［2］，鏡面拋光后的基體表面會(huì)在化學(xué)鍵及范德華力作用下附著多層吸附質(zhì)，發(fā)生吸附的同時(shí)會(huì)伴隨有一定的脫附發(fā)生，并在恒定的環(huán)境壓強(qiáng)及溫度條件下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.熱噴涂過(guò)程中，熔融的顆粒在與基體撞擊的瞬間，初始碰撞區(qū)域的溫度會(huì)因熔融顆粒帶來(lái)的熱量而瞬間上升，導(dǎo)致局部表面的吸附質(zhì)迅速脫附［3］.熔融顆粒持續(xù)帶來(lái)的熱量導(dǎo)致碰撞區(qū)域基體溫度快速上升，使脫附的氣體在熔滴與基體界面及熔滴內(nèi)部急劇膨脹，并最終在沉積物底部及內(nèi)部形成氣孔.由于氣孔的存在，熔滴與基體的物理接觸減弱，導(dǎo)致由熔滴向基體的熱傳導(dǎo)受阻，使熔滴粘性的增加速度受到阻礙而在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持不穩(wěn)定的液態(tài).同時(shí)，由于在熔滴與基體碰撞及鋪展的過(guò)程中，由于碰撞中心區(qū)域的溫度快速上升，使基體表面脫附的氣體大量聚集和膨脹，導(dǎo)致涂層內(nèi)部氣體壓強(qiáng)急劇增加.當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)大于原飛行顆粒的環(huán)境壓強(qiáng)時(shí)脫附的氣體與粉末顆粒會(huì)沖破邊緣沉積物濺射而出，使沉積物中心的邊緣部位形成翹起.

成典型盤(pán)狀沉積的Ti及有輕微濺射趨勢(shì)的Al沉積物與基體表面結(jié)合良好，凝固組織均勻，沉積物的邊緣與基體結(jié)合緊密.本實(shí)驗(yàn)所用的基體材料為鏡面拋光304不銹鋼，其表面有一層厚度達(dá)數(shù)十納米的致密氧化膜，熔滴與基體碰撞后即在此氧化膜上鋪展及凝固.在大氣環(huán)境中進(jìn)行噴涂時(shí)，熔滴在飛行過(guò)程中因表面部分氧化而附著一層薄薄的氧化層.已有研究表明［4］，金屬與表面附著氧化膜的基材間的潤(rùn)濕性與金屬的氧化物生成標(biāo)準(zhǔn)自由能密切相關(guān).由于Ti和Al比Fe和Cu活潑，在等離子焰流中被熔化及在后續(xù)飛行過(guò)程中更容易被氧化，與基體的潤(rùn)濕性能更優(yōu)良［5］，因此，活潑金屬Ti和Al熔滴與不銹鋼基體的潤(rùn)濕性良好，碰撞后會(huì)在基體表面平穩(wěn)快速地鋪展，使沉積物與基體充分接觸，熔滴與基體間的熱傳遞順暢，熔滴的粘性由于熱量的迅速耗散而快速上升，故容易形成盤(pán)狀沉積.由于Ti比Al更活潑，因此，幾乎沒(méi)有濺射，而Al熔滴的邊緣有部分濺射.

以往的研究表明，噴涂時(shí)環(huán)境壓強(qiáng)降低或基體預(yù)熱溫度升高，相同噴涂粉末的沉積物形貌具有由濺射狀向盤(pán)狀轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)［6－7］，在本試驗(yàn)中，熱噴涂時(shí)Cu和Fe在不銹鋼基體表面有典型的濺射發(fā)生，它們的濺射沉積物的形狀有較大的區(qū)別；熱噴涂Al粉時(shí)，在基體表面有部分濺射，但濺射程度較弱；而Ti粉末顆粒在基體表面呈典型的規(guī)則盤(pán)狀沉積.由此可見(jiàn)，在相同的噴涂條件下，不同的粉末顆粒沉積物的形貌有很大的不同.

3 結(jié)論

將直徑為數(shù)十微米的Cu，Ti，Al，F(xiàn)e粉末通過(guò)大氣等離子噴涂技術(shù)沉積到經(jīng)鏡面拋光后的304不銹鋼基體上.Cu和Fe熔滴在不銹鋼基體上均發(fā)生了明顯的濺射，這兩種沉積物的形貌各異，Al熔滴在基體表面有輕微濺射，而Ti熔滴為盤(pán)狀沉積，沉積物上可見(jiàn)明顯的裂紋.對(duì)四種粉末沉積物的正面及截面形態(tài)的分析結(jié)果表明，熔滴在與基體的碰撞及鋪展過(guò)程中，基體表面吸附質(zhì)的脫附、粉末材料的物理性能及與基體間的潤(rùn)濕性能決定了沉積物的最終形態(tài).

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