高速电弧喷涂技术制备Fe基非晶涂层及其性能

牛卫杰，宋晓勇，高守阳，吴亚军，王国平

（合肥工业大学材料学院，安徽合肥230009）

高速电弧喷涂技术制备Fe基非晶涂层及其性能

牛卫杰，宋晓勇，高守阳，吴亚军，王国平

（合肥工业大学材料学院，安徽合肥230009）

利用自设的新型粉芯丝材，通过高速电弧喷涂技术制备了FeCrBAlNiSi非晶涂层，针对涂层的组织结构和性能进行了深入研究。结果表明，涂层组织致密，其层状结构呈薄片形，涂层孔隙率为5.6％。涂层含有29％的非晶相，且主要存在于近基体涂层中，而晶体相则主要为Fe-Cr相、AlNi3相、CrB相、Ni4B3相和Al2O3相。非晶相的存在及因沉积效果产生的缺陷决定了涂层的显微硬度的不均匀性，涂层平均硬度接近800 HV0.1，最大可达1 115.3 HV0.1，属于硬质涂层。涂层的晶化温度约为712℃，较其他几种非晶涂层涂层有更好的热稳定性。

高速电弧喷涂；非晶涂层；硬质涂层

0 前言

目前，利用电弧喷涂金属粉芯丝材的方法制备表面涂层技术已在工程中获得大量的应用，这是由于其具有生产效率高、成本低、易于操作等特点[1-5]。然而，随着金属粉芯丝材成分设计的灵活性及电弧喷涂技术展现出良好的应用前景，使得该技术具有更广阔的应用领域，同时，严格的使用条件也为涂层技术提出了更高的要求。涂层组织和性能的优良程度及稳定性已成为涂层技术应用的关键因素。

由于非晶合金的高强度、高硬度、高韧性及良好的耐磨、耐腐蚀性能[6]，使得非晶合金在涂层领域也得到了快速发展。利用电弧喷涂技术制备非晶涂层也是近年来研究的热点。非晶涂层具有较高的硬度，制备较高含量的非晶涂层则有助于改善涂层的耐磨能力[7-8]。由于非晶合金自身容易晶化的特点，限制了涂层在高温条件下的使用。开发高温条件下具有优良热稳定性的涂层极具应用价值。

本研究利用高速电弧喷涂技术获得了非晶涂层，研究了涂层的组织结构和稳定性，测定了涂层中非晶相含量，并探索了涂层截面硬度分布规律，为涂层性能的深入研究及其实际应用打下基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

选用Q235钢为基体材料，实验前首先用丙酮洗去试板表面的油污、油脂，用刚玉喷砂处理，喷砂距离为20 cm，之后用压缩空气吹净表面，以保证试板表面的整洁。为获得非晶涂层，根据Inoue的非晶形成能力理论[9]，自主设计了金属粉芯丝材。热喷涂装置采用ZPG-400B型高速电弧喷涂机，选用的喷涂丝材为自主研制的金属粉芯丝材，优化后的工艺参数如表1所示。

表1 电弧喷涂工艺参数Tab.1Processing parameters of arc spraying

1.2 试验方法

采用高速电弧喷涂技术制备大面积的非晶涂层，利用线切割切取20 mm×15 mm×10 mm的涂层试样，经磨制、抛光、腐蚀（4％的硝酸酒精溶液）后，利用MR5000型倒置金相显微镜观察涂层的金相组织。经超声波清洗涂层试样后，采用D/MAX2500VX射线衍射仪（XRD）进行涂层的物相分析。通过JSM-6490LV扫描电子显微镜（SEM）观察涂层的形貌，并结合附带能谱仪（EDS）分析涂层成分。采用STA449F3同步热分析仪测定涂层的DSC曲线，并确定涂层的晶化温度。利用MH-3显微硬度计测量涂层的显微硬度。

2 实验结果与讨论

2.1 涂层组织结构分析

涂层截面扫描形貌如图1所示。涂层呈典型的层状组织，这是因为在高速电弧喷涂过程中绝大部分雾化粒子以熔化或部分熔化的状态撞击到基体上，粒子迅速铺展并沉积固化，从而形成了层状搭接结构。涂层主要结构呈薄片形，说明雾化粒子在较大的动能下撞击基体获得了良好的铺展，从而发生较大的变形，有利于改善涂层性能。涂层组织较为致密，但随机分布有少量的体积较大的Ⅰ类孔洞、Ⅱ类层间气孔和Ⅲ类层间微气孔，这是由于雾化粒子在空气飞行过程中自身携带部分空气和自身冶金反应释放出的气体来不及逸出造成的。采用GB/ T15749-2008网格截线法测定涂层孔隙率，测得涂层孔隙率约为5.6％。涂层中还存在少量的未熔、半熔物以及雾化粒子飞行过程中因不可避免的接触氧化而生成的氧化物，这些氧化物主要分布于层间。

图1 涂层截面扫描形貌Fig.1Scanning topography of coating section

2.2 涂层的物相组成

涂层X射线衍射结果如图2所示。涂层由非晶相和晶体相组成，其中晶体相主要为Fe-Cr相、AlNi3相、Ni4B3相、Al2O3相。由于涂层中Si的含量很少，并未检测到相关物相，而Al2O3相则是在喷涂过程中雾化粒子接触空气时氧化生成的。由图2可知，在衍射角2θ=44°时存在非晶漫衍射峰，说明涂层中含有一定量的非晶相。对XRD衍射图进行Pseudo-Voigt函数拟合，通过计算非晶衍射峰所占面积比来计算涂层中的非晶含量[10]，结果表明涂层中非晶相含量为29％。

涂层中形成了非晶相，这是因为金属粉芯丝材经高速电弧喷涂加热熔化后，雾化粒子携带大量的热量，撞击基体后，由于粒子冷却速率很大，存在较高的过冷度，部分雾化粒子沉积在基体表面来不及结晶，因而会以非晶态的形式存在。除此之外，喷涂丝材中所含大量的类金属元素B及少量的Si元素具有一定的非晶形成能力，也促进了非晶相的生成。然而，丝材中含有一定量的Cr、Al等元素，熔滴沉积过程中不可避免的接触空气被氧化，生成的表面则抑制了非晶相的形成。同时，后续熔滴沉积在之前涂层时，激冷速率有所降低，这也使得非晶相的形成能力有所下降，因此，非晶相主要存在于近基体涂层中。

图2 涂层XRD衍射图谱Fig.2XRD spectra of the coating

2.3 显微硬度

在涂层试样横截面沿喷涂方向进行显微硬度测试，加载载荷100 gf，加载时间15 s，实验结果取10点平均值，如图3所示。

图3 涂层截面显微硬度Fig.3Microhardness of the coating on cross-section

基体和涂层的硬度均存在一定的不均匀性。基体硬度约为210 HV0.1，且接近界面处硬度略有增大，这是由于喷涂过程中基板发生了局部塑性变形，对基板起到了加工硬化作用，提高了基体局部硬度[7]。涂层的沉积效果和相组成决定了涂层的显微硬度。涂层的显微硬度平均值接近800 HV0.1，最大值为1 115.3 HV0.1，而且靠近界面位置的涂层硬度较低，这是由于界面处涂层孔隙率较大的原因造成的。临近界面的低孔隙率处涂层硬度较高，这是因为基体附近的涂层中形成的非晶相具有高硬度、高强度的特点，而后续熔滴颗粒本身携带大量的热量及固化堆积过程中释放的结晶潜热相当于对前一层涂层进行了退火处理，使得部分非晶晶化，且后续涂层激冷速率的降低使得后续涂层主要由晶体相构成，具有较低的硬度[11]。涂层厚度大于0.3 mm时，具有较为均匀的硬度。

2.4 涂层热稳定性分析

为了分析非晶涂层的热稳定性，进行同步热分析实验，确定了涂层的晶化温度，结果如图4所示。由图4可知，涂层约在712℃存在一个放热峰，这表明涂层的晶化温度约为712℃，即涂层在此温度以下使用时不会发生晶化转变。

图4 涂层的DSC曲线Fig.4DSC spectrum of the coating

对比几种非晶涂层的晶化温度[12-14]，结果如图5所示。结果表明，FeCrBAlNiSi涂层有最高的晶化温度，因而该涂层具有良好的热稳定性，能适用于更高温度的服役环境。分析认为，该涂层具有较高的晶化温度，这是因为涂层中含有一定量的Ni元素，Ni含量的微量变化可以明显改善Fe基合金的非晶形成能力及其热稳定性[15]。

图5 几种非晶涂层的晶化温度Fig.5Crystallization temperature of several amorphous coatings

3 结论

（1）基于Inoue理论自设的金属粉芯丝材经高速电弧喷涂后，获得了含有部分非晶相的涂层。

（2）丝材熔化后形成的雾化颗粒以薄片状结构沉积在基体表面，制备的非晶涂层具有典型的层状组织，孔隙率为5.6％。

（3）涂层中含有29％的非晶相，非晶相主要存在于近界面处的涂层中，晶体相主要为Fe-Cr、AlNi3、Ni4B3及少量的Al2O3。

（4）涂层平均显微硬度近800 HV0.1，最高可达1 115.3 HV0.1，涂层属于硬质涂层。非晶相的存在是局部涂层显微硬度较大的主要原因，而沉积效果对涂层硬度也会产生一定程度的影响。

（5）涂层非晶转变温度为712℃，Ni含量添加有效改善了涂层的热稳定性。

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High velocity arc spraying preparation for Fe-based amorphous coatings and its properties

NIU Weijie，SONG Xiaoyong，GAO Shouyang，WU Yajun，WANG Guoping
（School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

H：igh Velocity Electric Arc Spraying was used to prepare FeCrBAlNiSi amorphous coatings using a new self-designed cored wire.The microstructure and properties were studied.The results indicate that the structure of the coating quite dense，the laminated structure is flake shape，and the porosity of the coating is 5.6％.The coating is composed of amorphous and crystalline phases，the amorphous phases close to 29％，and it mainly exists in the coating near the substrate，the crystalline phases consist of Fe-Cr、AlNi3、CrB、Ni4B3and a few of Al2O3.The existence of the amorphous phase and the defects due to the deposition effection determines the microhardness unevenness of the coating.The average microhardness of the coating is 800 HV0.1，up to 1115.3 HV0.1，it belongs to hard coating.The crystallization temperature of the coating about 712℃，it has better thermal stability than other amorphous coatings.

high velocity arc spraying；amorphous coating；harding coating

TG456.9

B

1001-2303（2015）08-0210-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.46

2015-02-05；

2015-03-18

修回日期：国家级大学生创新训练项目（201210359014）

牛卫杰（1988—），男，硕士，主要从事先进焊接技术方面的研究工作。