喷涂距离对等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层结构性能的影响

李 力



喷涂距离对等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层结构性能的影响

李 力

（北京动力机械研究所，北京 100074）

采用等离子喷涂技术制备了Al2O3陶瓷涂层，喷涂距离分别为90mm、105mm和120mm。利用XRD、SEM对涂层的微观结构进行了表征，并分析了涂层的力学性能和绝缘性能。结果表明，涂层相结构主要为γ-Al2O3，随喷涂距离的增大，涂层中孔隙率增大，涂层的显微硬度和结合强度性能降低，绝缘性能也降低。

等离子喷涂；氧化铝涂层；喷涂距离；力学性能；绝缘性能

1 引言

电机轴承的“电蚀”问题导致轴承磨损失效，不仅增加维修成本，造成经济损失，而且不安全。解决电蚀的主要问题是采用陶瓷喷涂绝缘轴承。近年来，国际上一些大的轴承厂商开始推出绝缘轴承产品，如SKF公司的INSOCOAT轴承产品、奥地利NKE公司的电绝缘滚动轴承，陶瓷氧化物绝缘具有至少1000V直流或交流电压的耐压强度，但价格昂贵。国内几大轴承厂都在开发这种绝缘轴承，但处于试验阶段，还没有在市场上推出正式产品[1]。

Al2O3陶瓷介电常数大，体积电阻率大，介质损耗小，耐热冲击强度大，具备绝缘材料所有的良好性能。因此，常采用A12O3作为绝缘轴承涂层材料。此外，A12O3涂层还具有良好的抗磨、耐热和耐腐蚀等性能。

目前，一般采用等离子喷涂制备A12O3绝缘涂层。许多研究者开展了喷涂工艺参数、基体温度和粉末粒径等对Al2O3涂层的显微结构和性能的影响研究。但是，关于喷涂距离如何影响涂层的显微结构和力学性能、绝缘性能的报道还甚少。本文研究了喷涂距离对涂层组织结构和性能的影响。

2 实验

2.1 涂层制备

喷涂设备为Sulzer Metco公司生产的MultiCoat大气等离子喷涂系统，主要由ABB机械手、F4等离子喷枪、Twin120送粉器、PCC控制柜和电源柜组成。基体材料为GCr15轴承钢，喷涂粉末采用北京矿冶研究总院研制的Al2O3，牌号为KF-240F，粉末粒度为(-45+20)μm。喷涂前采用白刚玉砂对轴承钢基体表面进行喷砂处理，并制备NiAl底层以提高陶瓷涂层与基体的结合强度。底层金属粉末采用沈阳金属研究所研制的Ni20Al，粉末粒度为(-109+53)μm。涂层结构为：0.1mm底层+0.2mm面层。具体喷涂工艺参数如表1所示。喷涂距离为90mm、105mm、120mm条件下制备的涂层分别标记为A1、A2和A3涂层。

表1 大气等离子喷涂氧化铝涂层工艺参数

2.2 涂层组织结构和性能表征

采用Rigaku Ultima IV X 射线粉末衍射仪对涂层物相进行分析，步长0.02°，扫描速度2°/min，扫描范围10°～90°。采用扫描电镜观察涂层的表面形貌和截面组织。采用显微硬度计测试了涂层的维氏显微硬度，测试条件为载荷500gf、保持时间20s。结合强度根据HB5476-91热喷涂涂层结合强度试验方法测定，制备24mm×6mm标准喷涂试样，拉伸速率为2mm/min。涂层的绝缘性能采用耐压试验，记录击穿电压，测试条件为：采用直径6mm对75mm电极，升压速度500v/s。

3 试验结果及讨论

3.1 涂层相结构分析

涂层表面的X-射线衍射图谱见图1。在30°～40°范围有馒头峰，表明涂层中呈现非晶态结构，这是由于等离子喷涂过程中，熔融粒子碰撞基体表面扁平化有的冷却速度较高（陶瓷粒子一般达到104～106℃/s），非平衡快速结晶凝固。涂层中出现了大量的γ-Al2O3，而喷涂粉末自身则为稳定的α-Al2O3。α-Al2O3为稳定的三方晶结构，γ-Al2O3为准稳态的立方晶结构。一般而言，熔融的Al2O3在冷却阶段，由于γ-Al2O3的核形成壁垒能量低于α-Al2O3，因此，会发生α-Al2O3向γ-Al2O3的转变。

图1 等离子喷涂Al2O3涂层的XRD图

3.2 涂层显微结构分析

三种涂层截面的金相照片见图2。A1、A2和A3三种涂层的孔隙率分别为5.9%、8.2%和12%。且A3涂层中出现较多的大孔。这可能是随着喷涂距离的增大，小粒径的粉末在焰流中停留时间长，烧损较多，剩余相对较大粒径的粉末变形后由于缺少填充，产生较多的孔隙和较大的孔隙。图3为三种涂层的表面形貌。相比A3涂层，A1和A2涂层堆积更为致密，涂层表面更为平滑。

图2 等离子喷涂Al2O3涂层的截面组织

图3 等离子喷涂Al2O3涂层的表面形貌

3.3 涂层的力学性能

涂层的显微硬度、结合强度性能数据见表2。可以看出，三种涂层中，A1、A2涂层的显微硬度和结合强度明显高于A3涂层。一般来说，涂层孔隙率的增加、致密度较差会导致涂层显微硬度、结合强度等力学性能的降低。

表2 等离子喷涂Al2O3涂层的显微硬度和结合强度

3.4 涂层的绝缘性能

涂层的击穿电压测试结果见表3。击穿电压均大于2kV。孔隙率的降低，有助于涂层绝缘性能提高，即相同的条件下，涂层的击穿电压较大。喷涂距离较远时，涂层孔隙率较高，因此击穿电压降低，涂层的绝缘性能下降。

表3 等离子喷涂Al2O3涂层的击穿电压

4 结束语

采用等离子喷涂工艺制备了Al2O3陶瓷涂层，研究不同喷涂距离对涂层结构和性能的影响。试验结果表明，随着喷涂距离的增大，涂层的沉积速度下降，孔隙率增大，涂层的显微硬度和结合强度会下降，涂层的绝缘性能也下降。

1 孙鑫. 电机轴承陶瓷绝缘涂层的制备技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009

Influences of Spray Distances on Microstructure and Properties of Alumina Coatings

Li Li

(Beijing Power Machinery Research Institute, Beijing 100074)

The Al2O3coatings are prepared by using atmosphere plasma spraying at different spray distances; the distances are 90mm, 105mm and 120mm specula. The coatings’ microstructure is characterized by XRD and SEM, and the mechanical performance and insulation property are analyzed. The results show that the phase of the coatings is mainly γ-Al2O3, the porosity ratio increased with increasing spray distances, the micro hardness and bonding strength decreased, and the insulation property also decreased.

plasma spraying；Al2O3coating；spray distance；mechanical performance；insulation property

李力（1973），高级工程师，机械制造工艺与装备专业；研究方向：发动机制造技术与管理。

2017-05-24