冷噴涂al-al2o3涂層的制備及性能研究

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1、熱噴涂信息2008年第1期冷噴涂Al-Al2O3涂層的制備及性能研究E.Irissou,J.-G.Legoux,B.ArsenaultandC.Moreau（加拿大國(guó)家研究委員會(huì)——工業(yè)材料研究所，加拿大）InvestigationofAl-Al2O3ColdSprayCoatingFormationandPropertiesE.Irissou,J.-G.Legoux,B.ArsenaultandC.Moreau（NationalResearchCouncilCanada–IndustrialMaterialsInstitute,Bouc

2、herville,QC,Canada）摘要：本文研究了冷噴涂制備Al-Al2O3陶瓷涂層的機(jī)理及性能，對(duì)兩種平均尺寸為36μm和81μm的球形鋁粉進(jìn)行了比較，在這些鋁粉中摻入不同濃度的氧化鋁，采用商用低壓冷噴涂設(shè)備制備涂層。利用掃描電鏡和顯微硬度分析了粉末和涂層的性能，測(cè)量了所有粉末的飛行粒子速率，在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量了沉積效率，采用結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試、磨損試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)（即鹽霧試驗(yàn)和鹽水交替浸泡試驗(yàn)）等分析了涂層的性能，這些性能與原料粉末或涂層中氧化鋁的組成有關(guān)。1前言冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)（CGDS）或冷噴涂，是指在低于材料熔點(diǎn)溫度將粒子高速噴射到基

3、體表面形成涂層。早在1903年和1963年，已經(jīng)有專利采用高壓氣體加速金屬顆粒產(chǎn)生超音速，粉末顆粒經(jīng)加速后在完全固態(tài)下撞擊基體形成涂層。但是只在幾十年后這項(xiàng)技術(shù)才得到了有效發(fā)展及運(yùn)用到各商業(yè)領(lǐng)域。如今，冷噴涂體系分為兩種，即高壓和低壓，臨界氣壓值分別為2-5MPa和0.3-1MPa。相對(duì)于低壓噴涂設(shè)備，高壓噴涂設(shè)備能獲得更高的粒子速度，從而提高了沉積效率，拓寬了噴涂合格材料的范圍。但主要缺點(diǎn)是采用高壓氣體（N2或He）高速噴涂粉末（粉末流量120-220m3/h），成本較高。采用低壓冷噴涂金屬，如Al，Zn，Cu，Co和Ni能獲得性能相當(dāng)

4、好的涂層，但沉積效率較低，這項(xiàng)技術(shù)只適合于特定的少數(shù)環(huán)境，因?yàn)椴僮鞒杀镜涂梢钥朔勰┫母哌@一問(wèn)題。研究表明在原始金屬粉末中加入硬相粒子可以提高沉積效率，這種情況下，沉積效率可提高20-30%7熱噴涂信息2008年第1期，涂層孔隙率可降低1-7%，結(jié)合強(qiáng)度可提高40-80MPa，從而提高了涂層的質(zhì)量。就冷噴涂制備陶瓷和韌性混合粉末的涂層形成機(jī)理說(shuō)明已有大量研究，但目前很少有關(guān)于陶瓷粒子摻雜對(duì)涂層性能的影響的數(shù)據(jù)報(bào)道。在我的另一篇文章中已說(shuō)明，低壓冷噴涂制備純Al涂層，能有效防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。目前研究主要是探索涂層中的陶瓷粒子夾雜是否會(huì)影響

5、這項(xiàng)性能。本文的研究主要有三方面：（1）分析Al-Al2O3混合粉末中Al粒子尺寸和Al2O3含量對(duì)涂層沉積效率及性能的影響；（2）確認(rèn)添加陶瓷粒子是否會(huì)提高涂層的耐磨性；（3）分析陶瓷粒子夾雜是否會(huì)降低純鋁涂層的耐腐蝕性。2試驗(yàn)過(guò)程2.1涂層采用低壓冷噴涂設(shè)備（SST，Centerline，ON，Canada）在低碳鋼和Al7075鋼表面噴涂純Al粉末和Al-Al2O3混合粉末，在所有的試驗(yàn)中，氮?dú)獾倪M(jìn)氣溫度和壓力分別設(shè)置為500℃和0.62MPa（90psi）。采用機(jī)械手操作噴槍，噴槍與基體表面保持1cm，橫向移動(dòng)速度為2mm/s。外

6、部送粉裝置的送粉速度為8～12g/min，氮?dú)獾牧魉贋?L/min。在噴涂之前，基體采用24號(hào)粒度的氧化鋁噴砂或者1200號(hào)砂紙拋光。2.2材料本研究采用兩種商業(yè)常用的Al粉末和一種氧化鋁粉末，第一種Al粉末采用SulzerMetco提供的54NS粉末，第二種Al粉末采用Alfa-Aesar提供的10576粉末，Al2O3粉末采用Plasmatec提供的PT105粉末，Al粉末以質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%，10%，20%，30%，50%和75%的比例與Al2O3粉混合。2.3性能采用飛行粒子時(shí)間監(jiān)控儀（DPV2000，TecnarAutomation，

7、St-Bruno，QC）測(cè)量粒子速度，利用激光二極管照亮飛行粒子。在低碳鋼基體上噴涂沉積3mm厚，在噴涂前后稱重測(cè)定沉積效率。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（S4700，Hitachi，Tokyo，Japan）和維氏硬度計(jì)分析材料特性。采用激光粒度分析儀（LS320，BeckmanCoulter，Miami，F(xiàn)L，USA）測(cè)量粉末平均粒度分布。利用結(jié)合強(qiáng)度、耐磨損和腐蝕試驗(yàn)分析涂層性能。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)量參照ASTMC-633-99標(biāo)準(zhǔn)，磨損試驗(yàn)參照ASTMG-65-00程序D中加載45N保壓10分鐘測(cè)量。進(jìn)行了兩種腐蝕試驗(yàn)，ASTMG85標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗(yàn)（3

8、.5%NaCl）和ASTMG44-99標(biāo)準(zhǔn)鹽水交替浸泡試驗(yàn)。后一種試驗(yàn)為，將試樣浸泡在3.5%NaCl溶液中30分鐘，后將試樣脫離溶液置于干燥環(huán)境30分鐘，后重復(fù)這個(gè)過(guò)程1000小時(shí)。3結(jié)果與