两种先进的等离子喷涂涂层的微观组织结构对比

肖跃

摘 要：本文在喷砂处理后的Q235钢基体上等离子喷涂Mo单独涂层和以Mo打底、A12O3+TiO2为工作层的两种涂层。以特殊的工艺参数制备得到后，采用SEM，EDS等检测手段，检测涂层观察涂层的微观形貌和成分组织。并分析比较其微观组织结构和性能，从而得出涂层在耐锌液腐蚀领域的应用理论依据。

引言：现在等离子喷涂耐锌蚀的研究中，主要思路是喷涂一层厚厚的致密的陶瓷工作層，利用其本身的低孔率等优点，使得锌液与基体完全隔离开，达到耐锌液腐蚀的目的，应用较多的是ZrO2、Al2O3之类的陶瓷涂层，由于液锌对它们润湿较差，且在高温状态时可长时间不与液锌发生反应，可以比较好地阻隔液锌的腐蚀。但等离子喷涂难以制备很厚的陶瓷涂层。而涂层越薄，锌液就越容易穿透，在腐蚀过程中，锌液会沿着很薄的陶瓷中的通孔与底层直接接触，进而腐蚀底层。因此单纯的依靠陶瓷涂层阻隔锌液腐蚀的效果并不佳。

因此在工作层与底层之间再喷涂一层耐熔锌蚀层作为中间层，中间层的存在不仅起到耐锌腐蚀的目的，又可以使涂层之间的结合力加强，涂层的抗热震性能提高，使涂层具有优良的综合性能本文在喷砂处理后的Q235钢基体上等离子喷涂Mo单独涂层和以Mo打底、A12O3+TiO2为工作层的两种涂层。以优化后的工艺参数制备得到后，采用SEM，EDS等检测手段，检测涂层观察涂层的微观形貌和成分组织。

1、涂层的微观截面形貌分析

两种涂层截面的微观形貌如图1.1所示，从图1.1-a中可以看出Mo涂层的厚度为0.3mm左右。涂层结构紧密，为熔融或半熔融状态的Mo粉末撞击到钢基体表面后铺展、凝固后形成的。涂层中含有少量的微裂纹、气孔和一部分疏松组织。但是涂层与基体的结合并不是很紧密，这可能是由于在制备金相试样时，在用砂纸和抛光布打磨的过程中，因为方向性，导致了涂层与试样物理上的人为剥离，从第三章中的拉伸实验结果看，因为工艺因素的影响应该是不存在的。

在复合涂层中的白色区域为Mo涂层，黑色区域为陶瓷层，由图1.1-b可以看出陶瓷涂层全部附在Mo涂层上，分布均匀，且复合涂层与Mo底层紧紧的相互嵌入到一起，分析其原因有：（1）Mo涂层的表面粗糙度比较高，较之于喷砂后的基体还要高；陶瓷涂层的熔点较Mo涂层要高的多，等离子喷涂这种陶瓷粉末时，当A12O3+TiO2粉末熔化时，等离子束流的温度非常高，熔融或半熔融状态的陶瓷粉末速度非常高，撞击到Mo层时，陶瓷粉末的铺展性很好，从而使得涂层分布均匀并与底层紧密结合

对比图1.1-a和1.1-b的涂层截面形貌可以看出，复合涂层中的气孔和微裂纹较少，涂层很致密，只有极小量的夹渣。用来打底的Mo层也变得更致密，Mo和基体的界面处结合得也非常致密，优于Mo单独涂层， 陶瓷涂层粒子在喷枪焰流中加速到一个很高的速度，对底层形成冲击、挤压及填充。

2、涂层的界面结合机理及EDS扫描分析

为了探讨涂层的界面结合机理，有必要分析一下涂层截面上的元素分布情况。图1.2显示的是各涂层截面的线扫描图片，由图1.2可以看出，复合涂层中，打底层与基体界面处、打底层与陶瓷层界面处元素的分布均发生了明显的突变，这是因为在等离子喷涂过程中，虽然喷涂粒子从等离子喷涂焰流中获得了很高的热能和速度，但当其撞击到基体表面或打底层时，冷却速度非常大，冷速高达106K/s，是一个典型的快速凝固过程[1]，导致涂层界面处的元素来不及发生扩散，从而产生了元素分布在涂层界面处发生突变的现象。说明涂层与基体之间的结合以物理-机械结合为主，几乎不存在冶金结合。涂层与基体之间的结合力主要是由熔融或半熔融的粒子撞击到基体表面后快速凝固铺展并与喷砂后呈锯齿状的基体机械咬合后产生的。

本文小结

Mo涂层中的微裂纹和疏松组织较多，而A12O3+TiO2涂层中几乎不存在疏松组织，致密性高。基体与Mo涂层、Mo涂层与Al2O3-TiO2涂层之间的结合以物理-机械结合为主。Mo涂层中涂层为单一的纯度极高的Mo相，而陶瓷工作层中则发生了一定的相变，喷涂过程中粉末中的TiO2与过量的Al2O3反应生成了Al2TiO5。

参考文献：

[1] 李月珠. 快速凝固技术和材料[M]. 北京：国防工业出版社， 1993，11.