激光重熔等离子喷涂氧化钇涂层性能研究

王丁丁

【摘 要】在氧化锆基复合材料基材上等离子喷涂氧化钇涂层，采用脉冲CO2激光对表面氧化钇涂层进行激光重熔处理。利用扫描电镜进行显微形貌观察，压痕法测试材料表面硬度，拉伸法测量涂层结合力，并用液态金属进行腐蚀实验。结果表明，等离子喷涂氧化钇涂层表面存在许多气孔和未融化颗粒，经过激光重熔后，气孔消失，并且表面变得致密、平整，形成了约60微米厚的柱状晶。经激光重熔后，材料表面维氏硬度由385.2MPa升至1237.5MPa，涂层结合力由4.6kN升至13.4kN。经过液态金属腐蚀，等离子喷涂氧化钇涂层发生了脱落，而经激光重熔后的涂层仍保持完好，这是因为致密的涂层表面降低了液态金属的浸润。

【关键词】激光重熔；等离子喷涂；氧化钇涂层

0 引言

激光表面处理是20世纪70年代发展起来的一门新技术，在汽车、机械制造、航空航天等领域中已广泛应用。激光重熔处理可以快速改变涂层的表面结构，细化晶粒、减小气孔率、提高材料表面致密度。本文利用脉冲CO2激光器对氧化钇涂层进行表面改性，通过不断探索优化了重熔工艺参数，经激光重熔后的涂层在腐蚀后没有发生开裂和剥落问题，使涂层寿命大大提高。

1 激光重熔处理工艺

通过等离子喷涂在基体上制备氧化钇涂层，使用脉冲CO2激光加工机在已制备好的涂层上进行激光重熔处理。激光束的离焦量为80mm，光斑直径为6.3mm，搭接率为50%，试验过程中以氩气作为保护气体。正交设计变化参数为：激光功率（300W、500W、700W）、扫描速度（10cm/min、50cm/min、100cm/min）、占空比（30%、40%、50%）和扫描频率（50HZ、200HZ、500HZ）。

2 试验结果及分析

2.1 涂层组织结构

经不同激光参数处理后，氧化钇涂层表面的形貌大致分为三种：（1）重熔后的表面气孔率降低，平整度提高但仍存在许多气孔和凹凸，属于部分重熔状态；（2）重熔后材料表面出现大量裂纹，边缘翘起，但气孔完全消失，属于过度重熔状态；（3）重熔后材料表面平整，气孔率和裂纹都较少，属理想重熔状态。对理想重熔状态的涂层进行深入分析，其表面形貌如图1所示， a为等离子喷涂Y2O3涂层的横断面，从图中可以看出等离子喷涂涂层是由多层涂层堆积而成，层与层之间以机械方式结合，并存在许多孔隙。b为激光重熔后氧化钇涂层的横截面，从图中可以看出，在重熔层的最表层60μm内几乎没有气孔，形成了致密的柱状晶。在表层与基材的过渡区，气孔稍有增加，但等离子喷涂产生的层状结构完全消失，涂层与基材完全紧密连接。

2.2 硬度和结合力

维氏硬度采用夹角为136°的四边形金刚锥压头，施加一定载荷，压入涂层表面，通过测量压痕对角线的长度，查表即可得出维氏硬度值，每个试样测定三次取平均。经测定等离子喷涂氧化钇涂层硬度为385.2Mpa，激光重熔后涂层硬度升至1237.5Mpa。其原因是在激光重熔后，疏松多孔的涂层表面变成了致密的柱状晶。

涂层结合力采用拉伸法测定，测试试样为直径12.5mm的圆片。用高强度胶分别将涂层面和基材面粘接在不锈钢转接棒上，并连接到试验机。在垂直涂层和基材方向上施加拉力，并逐渐加大载荷，当涂层脱落时的拉力即为涂层结合强度，平行试样为3个。经测试等离子喷涂氧化钇涂层的结合强度为4.6kN，经激光重熔后涂层结合强度升至13.4kN。等离子喷涂的氧化钇涂层中含有大量的片层结构，层与层之间含有大量气孔，这些片层结构在结合力的测试中很容易发生剥离，导致测量结果偏低。而经过激光重熔后，涂层间的层状结构完全消失，整个涂层形成完整的一体，要使涂层和基材分离则必须增加载荷，因此其结合强度大大提高。

2.3 涂层失效机理分析

把涂层材料用于液态金属熔炼试验，工作温度约为1500℃，腐蚀时间为两小时。试验后观察涂层整体外观，腐蚀结果为：等离子喷涂氧化钇涂层经腐蚀后，液态金属残留量较多，并与涂层结为一体，涂层边缘翘起，约一半的涂层与基材已经分离，涂层失效。经激光重熔后的氧化钇涂层，腐蚀后整体仍保持完整，涂层没有发生剥离和脱落。

等离子喷涂氧化钇涂层失效原因是该涂层由多层结构堆积而成，层与层之间以机械方式结合，并存在许多孔隙。当这种材料表面处于高温液态金属中时，液态金属很容易通过这些孔隙渗入涂层内部，并与涂层结合紧密。当温度降低时，被金属浸润的涂层会发生较大的收缩，使涂层与基体分离，造成了涂层起皮、脱落并失效。并且疏松的表面在腐蚀过程中很容易产生碎屑、粉末而进入熔炼体系，而造成体系污染。

经激光重熔后，等离子喷涂产生的层状结构完全消失，形成了致密的表面结构。这种致密的耐腐蚀涂层可以有效的防止液态金属的浸润，只在涂层表面产生一些微弱的化学反应。据计算氧化钇与液态金属在温度为1500℃时，反应速率很小，只要涂层结构完整就保持长时间的工作寿命。

3 结论

经过正交设计激光重熔工艺参数，得出最优参数为：激光功率500瓦，占空比50%，扫描速度50cm/min，由此推算出激光功率密度在4.8J/mm2左右可得到较好的重熔涂层。经激光重熔后，涂层表面形成了60μm厚的柱状晶，气孔大量减少，层状结构完全消失。使涂层的表面硬度由385.2Mpa升至1237.5Mpa，涂层结合强度由4.6kN升至13.4kN。涂层表面结构的改变降低了液态金属向涂层内部的渗透，避免了热膨胀失配造成的涂层脱落，而提高了涂层的使用寿命。

【参考文献】

[1]陈川中.激光重熔等离子喷涂陶瓷涂层的技术研究[J].材料科学与技术，2002， 4（10）：431-435.

[2]张正.激光重熔工艺参数对热障涂层热震性能的影响[J].2002，5（26）：334-337.

[责任编辑：杨玉洁]