激光重熔等離子噴涂氧化釔涂層性能研究

王丁丁

【摘 要】在氧化鋯基復合材料基材上等離子噴涂氧化釔涂層，采用脈沖CO2激光對表面氧化釔涂層進行激光重熔處理。利用掃描電鏡進行顯微形貌觀察，壓痕法測試材料表面硬度，拉伸法測量涂層結合力，并用液態(tài)金屬進行腐蝕實驗。結果表明，等離子噴涂氧化釔涂層表面存在許多氣孔和未融化顆粒，經過激光重熔后，氣孔消失，并且表面變得致密、平整，形成了約60微米厚的柱狀晶。經激光重熔后，材料表面維氏硬度由385.2MPa升至1237.5MPa，涂層結合力由4.6kN升至13.4kN。經過液態(tài)金屬腐蝕，等離子噴涂氧化釔涂層發(fā)生了脫落，而經激光重熔后的涂層仍保持完好，這是因為致密的涂層表面降低了液態(tài)金屬的浸潤。

【關鍵詞】激光重熔；等離子噴涂；氧化釔涂層

0 引言

激光表面處理是20世紀70年代發(fā)展起來的一門新技術，在汽車、機械制造、航空航天等領域中已廣泛應用。激光重熔處理可以快速改變涂層的表面結構，細化晶粒、減小氣孔率、提高材料表面致密度。本文利用脈沖CO2激光器對氧化釔涂層進行表面改性，通過不斷探索優(yōu)化了重熔工藝參數(shù)，經激光重熔后的涂層在腐蝕后沒有發(fā)生開裂和剝落問題，使涂層壽命大大提高。

1 激光重熔處理工藝

通過等離子噴涂在基體上制備氧化釔涂層，使用脈沖CO2激光加工機在已制備好的涂層上進行激光重熔處理。激光束的離焦量為80mm，光斑直徑為6.3mm，搭接率為50%，試驗過程中以氬氣作為保護氣體。正交設計變化參數(shù)為：激光功率（300W、500W、700W）、掃描速度（10cm/min、50cm/min、100cm/min）、占空比（30%、40%、50%）和掃描頻率（50HZ、200HZ、500HZ）。

2 試驗結果及分析

2.1 涂層組織結構

經不同激光參數(shù)處理后，氧化釔涂層表面的形貌大致分為三種：（1）重熔后的表面氣孔率降低，平整度提高但仍存在許多氣孔和凹凸，屬于部分重熔狀態(tài)；（2）重熔后材料表面出現(xiàn)大量裂紋，邊緣翹起，但氣孔完全消失，屬于過度重熔狀態(tài)；（3）重熔后材料表面平整，氣孔率和裂紋都較少，屬理想重熔狀態(tài)。對理想重熔狀態(tài)的涂層進行深入分析，其表面形貌如圖1所示， a為等離子噴涂Y2O3涂層的橫斷面，從圖中可以看出等離子噴涂涂層是由多層涂層堆積而成，層與層之間以機械方式結合，并存在許多孔隙。b為激光重熔后氧化釔涂層的橫截面，從圖中可以看出，在重熔層的最表層60μm內幾乎沒有氣孔，形成了致密的柱狀晶。在表層與基材的過渡區(qū)，氣孔稍有增加，但等離子噴涂產生的層狀結構完全消失，涂層與基材完全緊密連接。

2.2 硬度和結合力

維氏硬度采用夾角為136°的四邊形金剛錐壓頭，施加一定載荷，壓入涂層表面，通過測量壓痕對角線的長度，查表即可得出維氏硬度值，每個試樣測定三次取平均。經測定等離子噴涂氧化釔涂層硬度為385.2Mpa，激光重熔后涂層硬度升至1237.5Mpa。其原因是在激光重熔后，疏松多孔的涂層表面變成了致密的柱狀晶。

涂層結合力采用拉伸法測定，測試試樣為直徑12.5mm的圓片。用高強度膠分別將涂層面和基材面粘接在不銹鋼轉接棒上，并連接到試驗機。在垂直涂層和基材方向上施加拉力，并逐漸加大載荷，當涂層脫落時的拉力即為涂層結合強度，平行試樣為3個。經測試等離子噴涂氧化釔涂層的結合強度為4.6kN，經激光重熔后涂層結合強度升至13.4kN。等離子噴涂的氧化釔涂層中含有大量的片層結構，層與層之間含有大量氣孔，這些片層結構在結合力的測試中很容易發(fā)生剝離，導致測量結果偏低。而經過激光重熔后，涂層間的層狀結構完全消失，整個涂層形成完整的一體，要使涂層和基材分離則必須增加載荷，因此其結合強度大大提高。

2.3 涂層失效機理分析

把涂層材料用于液態(tài)金屬熔煉試驗，工作溫度約為1500℃，腐蝕時間為兩小時。試驗后觀察涂層整體外觀，腐蝕結果為：等離子噴涂氧化釔涂層經腐蝕后，液態(tài)金屬殘留量較多，并與涂層結為一體，涂層邊緣翹起，約一半的涂層與基材已經分離，涂層失效。經激光重熔后的氧化釔涂層，腐蝕后整體仍保持完整，涂層沒有發(fā)生剝離和脫落。

等離子噴涂氧化釔涂層失效原因是該涂層由多層結構堆積而成，層與層之間以機械方式結合，并存在許多孔隙。當這種材料表面處于高溫液態(tài)金屬中時，液態(tài)金屬很容易通過這些孔隙滲入涂層內部，并與涂層結合緊密。當溫度降低時，被金屬浸潤的涂層會發(fā)生較大的收縮，使涂層與基體分離，造成了涂層起皮、脫落并失效。并且疏松的表面在腐蝕過程中很容易產生碎屑、粉末而進入熔煉體系，而造成體系污染。

經激光重熔后，等離子噴涂產生的層狀結構完全消失，形成了致密的表面結構。這種致密的耐腐蝕涂層可以有效的防止液態(tài)金屬的浸潤，只在涂層表面產生一些微弱的化學反應。據(jù)計算氧化釔與液態(tài)金屬在溫度為1500℃時，反應速率很小，只要涂層結構完整就保持長時間的工作壽命。

3 結論

經過正交設計激光重熔工藝參數(shù)，得出最優(yōu)參數(shù)為：激光功率500瓦，占空比50%，掃描速度50cm/min，由此推算出激光功率密度在4.8J/mm2左右可得到較好的重熔涂層。經激光重熔后，涂層表面形成了60μm厚的柱狀晶，氣孔大量減少，層狀結構完全消失。使涂層的表面硬度由385.2Mpa升至1237.5Mpa，涂層結合強度由4.6kN升至13.4kN。涂層表面結構的改變降低了液態(tài)金屬向涂層內部的滲透，避免了熱膨脹失配造成的涂層脫落，而提高了涂層的使用壽命。

【參考文獻】

[1]陳川中.激光重熔等離子噴涂陶瓷涂層的技術研究[J].材料科學與技術，2002， 4（10）：431-435.

[2]張正.激光重熔工藝參數(shù)對熱障涂層熱震性能的影響[J].2002，5（26）：334-337.

[責任編輯：楊玉潔]