球形復(fù)合氧化鉻團(tuán)聚粉末及等離子噴涂涂層性能研究

賈芳，沈婕，張康，彭浩然，冀曉鵑，盧曉亮

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

熱噴涂氧化鉻粉末材料可用于噴涂各種耐磨涂層部件，提高部件的耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命[1-6]，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、石油、化工、機(jī)械、紡織和汽車(chē)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[7-12]。在氧化鉻粉末中添加適量的氧化硅和氧化鈦所形成的氧化鉻復(fù)合粉末材料可提高氧化鉻粉末在噴涂過(guò)程中加熱熔化特性，改善氧化鉻粉末噴涂的工藝性能，提高粉末沉積效率及與基體的結(jié)合力，而且有利于提高氧化鉻涂層的斷裂韌性和后加工性能[6-9]。

目前，復(fù)合氧化鉻粉末制備方法主要有熔融破碎工藝和噴霧造粒工藝，采用噴霧造粒方法制備復(fù)合氧化鉻粉末具有良好的成分均勻性和優(yōu)異的粉末流動(dòng)性。本文采用噴霧造粒-燒結(jié)的方法制備了一種球形復(fù)合氧化鉻團(tuán)聚粉末，研究了團(tuán)聚造粒過(guò)程中不同固含量的料漿對(duì)粉末微觀組織形貌的影響以及燒結(jié)溫度對(duì)粉末松裝密度、流動(dòng)性及顆粒強(qiáng)度的影響。采用大氣等離子噴涂(APS)工藝制備了復(fù)合氧化鉻涂層，并對(duì)涂層的微觀組織、顯微硬度及涂層結(jié)合強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 復(fù)合氧化鉻粉末及涂層制備

采用氧化鉻、氧化硅及氧化鈦細(xì)粉原料按照設(shè)定的配比進(jìn)行混合配制成料漿后進(jìn)行球磨，

然后采用噴霧干燥塔將球磨后的料漿進(jìn)行噴霧干燥團(tuán)聚造粒，將獲得的球形團(tuán)聚粉末置于高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)處理，所得粉末采用機(jī)械篩分法進(jìn)行粒度控制。

在噴涂復(fù)合氧化鉻涂層之前首先將基材表面打磨平整，用酒精清洗基材表面的油漬、污漬等，然后采用型號(hào)為PS-3A-8 的噴砂設(shè)備對(duì)基材進(jìn)行粗化處理，噴砂壓力為0.5 MPa，噴砂處理后的表面粗糙度達(dá)到Ra 8～12。噴涂采用Metco F4 大氣等離子噴涂設(shè)備，鎳鈷鉻鋁釔底層厚度約100 μm，氧化鉻面層厚度約220 μm，等離子噴涂的工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Table 1 Plasma Spray Process Parameters

1.2 樣品結(jié)構(gòu)與性能表征

利用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi SU5000)對(duì)制備的復(fù)合氧化鉻粉末及等離子噴涂氧化鉻復(fù)合涂層的微觀組織形貌進(jìn)行了分析，涂層孔隙率由Image J 分析軟件分析獲得。采用廈門(mén)群隆儀器有限公司生產(chǎn)的霍爾流速計(jì)(SK-1002)對(duì)粉末松裝密度及流動(dòng)性進(jìn)行了表征，采用日本島津公司生產(chǎn)的粉末顆粒強(qiáng)度儀(MCT-210)對(duì)復(fù)合氧化鉻粉末壓潰強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，涂層硬度采用沃伯特測(cè)量?jī)x器（上海）有限公司生產(chǎn)的顯微維氏硬度計(jì)(402MVATM)檢測(cè)，按照GB/T 8642 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用對(duì)偶拉伸試驗(yàn)進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，拉伸設(shè)備為上海申聯(lián)試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDW-100A)。

2 結(jié)果及分析

2.1 球形復(fù)合氧化鉻團(tuán)聚粉末性能分析

噴涂粉末形貌、松裝密度、流動(dòng)性及顆粒強(qiáng)度等特性對(duì)涂層微觀組織結(jié)構(gòu)及性能具有重要的影響。首先，研究了噴霧干燥團(tuán)聚造粒過(guò)程中粘結(jié)劑含量對(duì)團(tuán)聚粉末組織微觀形貌的影響。圖1(a)為粘結(jié)劑含量6 %時(shí)獲得的復(fù)合氧化鉻粉末的組織形貌，從圖中可以看出，部分團(tuán)聚粉末已松散成不規(guī)則形貌，粉末球形度較差；當(dāng)粘結(jié)劑含量增加至8 %時(shí)，如圖1(b)所示，形成的團(tuán)聚粉末表面光滑，球形度良好；而繼續(xù)增加粘結(jié)劑含量至10 %時(shí)，如圖1(c)所示，粉末出現(xiàn)條狀不規(guī)則形貌，球形度變差，并且部分粉末顆粒間相互粘結(jié)。

圖1 不同粘結(jié)劑含量氧化鉻復(fù)合粉末微觀形貌：(a)粘結(jié)劑含量6%；(b)粘結(jié)劑含量8%；(c)粘結(jié)劑含量10%Fig.1 Microstructure of Cr2O3 composite powder with different content of adhesive:(a) 6% adhesive; (b) 8% adhesive; (c)10% adhesive

粘結(jié)劑在噴霧造粒過(guò)程中主要以物理吸附的形式吸附在粉體表面形成一層具有一定強(qiáng)度的薄膜，具有粘結(jié)原料顆粒的作用，當(dāng)粘結(jié)劑含量較少時(shí)，在粉體顆粒表面形成薄膜黏附力較小，導(dǎo)致造粒團(tuán)聚粉末內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度小容易松散，形成粉末顆粒尺寸較小并且粉末球形度較差；當(dāng)粘結(jié)劑含量較高時(shí)，料漿粘性系數(shù)增大，長(zhǎng)分子鏈相互橋連，限制了粒子間的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致料漿的流動(dòng)性和分散性變差，造成粉末顆粒之間相互粘連，獲得的團(tuán)聚造粒粉末多為粗顆粒且形狀不規(guī)則。

噴霧造粒的團(tuán)聚粉末不可避免的呈疏松的多孔結(jié)構(gòu)，并且粉末中含有粘結(jié)劑等有機(jī)物，為了去除粉末中的粘結(jié)劑等有機(jī)物，提高粉末的致密性，需要對(duì)團(tuán)聚造粒的氧化鉻粉末進(jìn)行了燒結(jié)工藝處理，團(tuán)聚粉末通過(guò)適宜的燒結(jié)工藝可以達(dá)到使其致密的作用。燒結(jié)溫度太高，會(huì)使粉末一次顆粒急劇長(zhǎng)大，燒結(jié)溫度太低，無(wú)法達(dá)到致密化效果。對(duì)氧化鉻團(tuán)聚粉末在900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃不同溫度下分別進(jìn)行熱處理后，篩分出270～500 目的氧化鉻粉末，對(duì)其流動(dòng)性、松裝密度及壓潰強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。

不同燒結(jié)溫度下氧化鉻粉末的流動(dòng)性和松裝密度如圖2和圖3所示，從圖中性能結(jié)果可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃到1200 ℃變化時(shí)，粉末流動(dòng)時(shí)間先變長(zhǎng)后縮短，流動(dòng)性先變差再變優(yōu)，原因是較低溫度下粉末中有機(jī)物被去除粉末內(nèi)部孔隙增多，導(dǎo)致粉末致密度變差，隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末逐漸實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)，由于粉末的致密度先降低后升高，導(dǎo)致粉末流動(dòng)性隨之發(fā)生變化。然而，當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1300 ℃時(shí)，粉末的流動(dòng)性急劇變差，此時(shí)粉末不具有流動(dòng)性，可能的原因是由于燒結(jié)溫度較高，復(fù)合粉末中含有低熔點(diǎn)的氧化硅等氧化物，使得部分粉末顆粒發(fā)生粘連，導(dǎo)致粉末流動(dòng)性變差，當(dāng)粉末燒結(jié)溫度繼續(xù)升高到1400 ℃時(shí)，粉末粘連現(xiàn)象較嚴(yán)重，粉末不具有流動(dòng)性。

圖2 不同溫度下粉末流動(dòng)性Fig.2 Flowability of powder at different temperatures

圖3 不同溫度下粉末松裝密度Fig.3 Bulk density of powder at different temperatures

從900 ℃至1400 ℃，隨著燒結(jié)溫度的升高，氧化鉻粉末松裝密度呈先下降后上升的趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，團(tuán)聚態(tài)的氧化鉻粉末中粘結(jié)劑等有機(jī)物被除去，然而此時(shí)粉末并沒(méi)有達(dá)到致密燒結(jié)的狀態(tài)，粉末中孔隙增多，粉末松裝密度降低，溫度過(guò)低，不能實(shí)現(xiàn)氧化鉻材料的致密化燒結(jié)，隨著燒結(jié)溫度繼續(xù)升高，粉末逐漸實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)，松裝密度逐漸增大。

粉末的顆粒強(qiáng)度對(duì)粉末在等離子噴涂過(guò)程中的輸送效果具有一定的影響。如果粉末顆粒強(qiáng)度過(guò)低，粉末在等離子噴涂過(guò)程中易發(fā)生潰散，影響噴涂的連續(xù)性，將導(dǎo)致噴涂涂層的均勻性下降。因此，對(duì)不同溫度熱處理粉末的顆粒強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試分析，不同溫度下粉末的顆粒強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，從圖中可以看出，燒結(jié)溫度從900℃升高至1400 ℃，隨著粉末燒結(jié)溫度的升高，粉末的顆粒強(qiáng)度逐漸增大，從900 ℃至1000 ℃粉末顆粒強(qiáng)度增加幅度較大，溫度從1000 ℃升至1300 ℃過(guò)程中，粉末顆粒強(qiáng)度增加緩慢，從1300℃升高至1400 ℃，粉末顆粒強(qiáng)度具有明顯幅度的提升。

圖4 不同溫度下粉末顆粒強(qiáng)度Fig.4 Particle strength of powder at different temperatures

上述研究結(jié)果表明，燒結(jié)溫度達(dá)到1300 ℃，粉末不具備流動(dòng)性。因此，1200 ℃熱處理的氧化鉻粉末具有較好的流動(dòng)性，適宜的松裝密度和顆粒強(qiáng)度，綜合性能較優(yōu)。

2.2 涂層微觀組織形貌及基本力學(xué)性能分析

對(duì)1200 ℃燒結(jié)處理后的復(fù)合氧化鉻粉末采用等離子噴涂工藝進(jìn)行了涂層的制備，制備的氧化鉻涂層截面形貌如圖5 所示，從圖中可以看出，涂層厚度均勻、未出現(xiàn)縱向裂紋，涂層與基體結(jié)合良好，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)致密，僅存在極少量分布不均微小空隙和微小橫向裂紋，微小空隙產(chǎn)生的原因可能是噴涂過(guò)程中引入發(fā)熱環(huán)境雜質(zhì)在快速凝固下形成的，微小橫向裂紋產(chǎn)生的原因主要是噴涂過(guò)程中行程間隔造成的不完全冶金結(jié)合，屬于正常的等離子噴涂涂層形貌。對(duì)涂層孔隙率進(jìn)行了分析，涂層孔隙率為2.3%，致密的涂層結(jié)構(gòu)有利于涂層的后加工及涂層耐磨性的提升。

圖5 氧化鉻復(fù)合涂層截面形貌：(a)低倍；(b)高倍Fig.5 Cross-section morphology of chromium oxide composite coating: (a) low magnification; (b) high magnification

氧化鉻復(fù)合涂層硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2 所示，涂層顯微硬度HV0.3平均值為1197.6，涂層具有較高的顯微硬度，涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所示，結(jié)合強(qiáng)度平均值為39.74 MPa。

表2 涂層顯微硬度測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of coating microhardness

表3 涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of coating bond strength

3 結(jié) 論

本文采用噴霧造粒-燒結(jié)工藝制備了球形復(fù)合氧化鉻粉末，對(duì)復(fù)合球形氧化鉻粉末性能及等離子噴涂涂層基本性能進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1) 采用噴霧造粒-燒結(jié)工藝制備了球形復(fù)合氧化鉻粉末，在噴霧造粒過(guò)程中，粘結(jié)劑含量為8%時(shí)，制備團(tuán)聚粉末表面光滑，球形度較好。

(2) 對(duì)燒結(jié)后的復(fù)合氧化鉻粉末松裝密度、流動(dòng)性及顆粒強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末松裝密度先下降后上升，流動(dòng)時(shí)間先變長(zhǎng)后縮短，1300 ℃以上時(shí)，粉末顆粒發(fā)生粘連導(dǎo)致粉末不具有流動(dòng)性，粉末顆粒強(qiáng)度隨著溫度升高逐漸增大，燒結(jié)溫度為1200 ℃時(shí)，粉末綜合性能較優(yōu)。

(3) 1200 ℃燒結(jié)處理的復(fù)合氧化鉻粉末經(jīng)過(guò)大氣等離子噴涂沉積形成的復(fù)合氧化鉻涂層組織結(jié)構(gòu)致密，孔隙率為2.3%、結(jié)合強(qiáng)度均值達(dá)到39.74 MPa，涂層平均顯微硬度為1197.6 HV0.3。