热处理工艺对HOVF制备磁致伸缩涂层组织及性能的影响*

戚青丽，沈功田，郑 阳，潘晴川，黄松岭

(1. 中国特种设备检测研究院 北京 100029； 2. 清华大学 电机系 北京 100084)

0 引 言

基于磁致伸缩材料的焦耳效应，其在驱动器、换能器以及传感器等领域具有广泛地应用[1-2]。磁致伸缩导波是一种新型的无损检测技术[3]，具有检测范围大、能实现非接触检测，适应高温腐蚀等恶劣环境下工作，其换能效率虽然低于压电传感器，但是其高检测精度仍然能满足绝大多数的检测需求，而磁致伸缩材料是导波传感器的关键元件。目前应用比较广泛的磁致伸缩带材导波传感器是通过粘接剂将带磁致伸缩材粘贴在被检测试件上，但是在高温等恶劣环境下粘接剂容易失效，不能实现长期在线监测，并且受磁致伸缩带材韧性的限制不适用于大曲率、不规则复杂构件的检测[4-7]。为了改善磁致伸缩带材导波传感器监测成本高、适用对象具有局限性这一难题，近年来，国内外的研究单位通过喷涂技术在待检测试件上沉积磁致伸缩涂层，并进行导波检测[8-11]，结果表明磁致伸缩涂层导波可以适用于大曲率、不规则部件的无损检测，且克服了带材导波检测对耦合剂的依赖。

截止目前，有关磁致伸缩涂层导波的相关文献国内外虽已有报导，但是有关磁致伸缩涂层的进一步研究却很少。

因此，本文研究热处理工艺对磁致伸缩涂层的组织和性能的影响，基于Fe-Ga磁致伸缩材料具有磁机械耦合效应高、低场敏感性强的特点[12-14]，本文选择Fe-Ga作为实验材料，采用超音速火焰喷涂技术制备Fe-Ga涂层，并研究退火过程中，Fe-Ga涂层的微观组织演变和性能变化。

1 实 验

1.1 涂层制备和热处理工艺

采用气雾化法制备Fe83Ga17磁致伸缩粉末[15]，基于超音速火焰喷涂技术(HOVF)结合强度高、耐磨性好、硬度高、孔隙率低的特点[16-17]，通过HOVF技术制备Fe-Ga涂层，研究500 μm厚Fe-Ga涂层热处理过程中的微观组织及性能演变。将涂层样品封在3.04×10-4Pa氩气气氛的石英管中，在箱式炉中分别随炉升温到300 、400 、500、600和700 ℃保温1 h，水淬冷却至室温。

1.2 涂层组织及性能表征

退火态Fe-Ga涂层样品经过机械打磨和抛光后，利用扫描电子显微镜(SEM)分析涂层的微观组织变化，并使用Image-Pro©Plus软件计算涂层的平均孔隙率。在面积为4 mm×3 mm扫描区域，捕获电子背散射衍射(EBSD)花样，并通过EBSD对涂层的反极图(IPF)和取向分布函数图(ODF)进行分析，进而对退火过程中Fe-Ga涂层内部残余应力的变化进行定性分析。基于Bragg(布拉格)方程，利用X射线衍射仪(XRD)分析退火过程中Fe-Ga涂层的相结构变化。利用JDAW-2011磁致伸缩测试仪，通过电阻应变片法，沿平行于涂层平面方向施加外加磁场，测量退火态Fe-Ga涂层的磁致伸缩系数。

2 结果与讨论

2.1 沉积态Fe-Ga涂层的微观组织和相结构

图1(a)表示粒径为30～50 μm Fe-Gaa气雾化粉末的SEM形貌。可以看出，粉末颗粒表面光滑，具有良好的球形度，在喷涂过程中具有良好的流动性。图1(b)和(c)为Fe-Ga涂层的表面形态和微结构，涂层由层状结构、未熔化的颗粒(见图1(b)的顶部插图)、不同形状的孔隙、裂缝和一些氧化物等其他杂质组成。在喷涂过程中，小颗粒完全熔化，而一些未完全熔化的大颗粒与基底碰撞并变成椭圆形，这些变形的大颗粒在沉积到基底时被熔融的颗粒包裹，如图1 (c)中的箭头所示，因此层状结构的出现取决于粉末的熔化状态。由于颗粒与基体之间存在温差(约100～200 ℃)，颗粒会迅速凝固并与基体结合。在颗粒的边界和涂层与基材的界面处也可以观察到裂纹和孔隙，可能是由于在快速凝固过程中，粉末颗粒和基体之间存在错配产生残余应力造成的。

图1 Fe-Ga粉末和涂层的SEM形貌图Fig 1 SEM morphologies of Fe-Ga powder and coating

涂层孔隙率采用Image-Pro©Plus软件进行计算，图像分析的详细过程和机制可以参考[18]。如图1(d)所示，Fe-Ga涂层呈层状结构，有大量部分熔化和完全熔化的颗粒组成，导致孔隙的出现，并且孔隙率数据分布比较分散。因此从Fe-Ga涂层的横截面SEM图中，随机选取20张放大1000倍的微观组织图，采用Image-Pro©Plus软件对涂层内部的孔洞和裂纹等缺陷进行标记，最后统计多张SEM图的孔隙率取平均值，得到Fe-Ga涂层的平均孔隙率大概小于1.6%。

图2 (a)表示Fe-Ga涂层横截面的SEM图像；(b)是与(a)对应的EBSD扫描图像，其中(100)、(110)和(111)分别表示晶粒的取向Fig 2 (a) SEM micrograph showing cross-section of Fe-Ga coating and (b) the corresponding EBSD scanned image. Where (100), (110) and (111) indicates grains orientation, respectively

图2(a)为Fe-Ga涂层横截面的SEM图。涂层经过抛光、打磨后，在浓度为10%的硝酸酒精溶液中侵蚀10～20 s。部分熔化的颗粒表面出现了晶界和类似晶界的褶皱，表明粉末颗粒为多晶颗粒，喷涂过程中，高速粒子撞击基底快速凝固导致颗粒发生变形，内部出现残余应力。为分析Fe-Ga涂层内部的应力和取向性，获取涂层横截面的EBSD菊池花样，如图2(b)所示，熔化颗粒的边部黑色为采集盲区，高速粉末颗粒撞击基体引起的变形导致颗粒内部晶粒细化、大小不均匀。

2.2 退火态Fe-Ga涂层的相结构

图3为不同温度退火后，Fe-Ga涂层的X射线衍射图谱以及(110)衍射峰的局部放大。如图3(a)和(b)所示，不同退火温度下Fe-Ga涂层均具有(110)、(200)和(211)的三强衍射峰，随着温度从300 ℃提高到700 ℃，涂层仍保持高温相A2不变，无有序相出现，表明Fe-Ga涂层热处理过程中未发生相变，保持无序的体心立方结构(A2相)，这是因为水冷淬火处理使涂层快速冷却保持A2相。图3(a)中XRD图谱(110)衍射峰峰位随退火温度的升高从44°左右位置向更高的衍射角度偏移，这与退火过程中涂层内部应力的释放有关，有研究表明电化学方法生长的ZnO薄膜，其(002)衍射峰对应的衍射角随退火温度的升高向更高的角度偏移[19-20]。

图3 不同退火温度下Fe-Ga涂层的XRD衍射图谱(a)以及(110)衍射峰的局部放大(b)Fig 3 XRD diffraction patterns of Fe-Ga powder at different annealing temperatures, and the partial magnification of the (110) diffraction peaks

2.3 退火态Fe-Ga涂层的微观组织演变

不同退火温度下Fe-Ga涂层的微观组织变化如图4(a)-(d)所示。涂层由粉末颗粒堆积的层状结构组成，分析涂层横截面的EBSD微观组织，颗粒边缘的盲区标记为黑色，在IPF图中，<001>、<110>和<111>分别表示晶体学方向。因为在沉积过程中，粉末颗粒与基体或其他颗粒发生碰撞，如图4(a)所示，沉积态涂层中颗粒出现一定的变形。图4(b)-(d)表明在300～500 ℃退火处理后，少量变形晶粒发生了局部回复，当退火温度升高到600 ℃时，晶粒中的变形组织发生明显地回复，说明晶粒内部局部应力释放，部分晶粒出现回复和再结晶，如图4(e)所示。进一步提高退火温度到700 ℃，晶粒内部的变形组织消失，应力完全释放，发生了完全地回复和再结晶。

图4 不同退火温度下Fe-Ga涂层横截面的IPF图(a)沉积态；(b)300 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃；(e)600 ℃；(f)700 ℃；反极图中的(100)、(110)和(111)代表不同的晶粒取向Fig 4 IPF images obtained from the cross-section of the Fe-Ga coating at different annealing temperature(a) as-deposited, (b) 300 ℃, (c) 400 ℃, (d) 500 ℃, (e) 600 ℃, (f) 700 ℃. (100)、(110)和(111) in the IPF image represent different crystal orientation

2.4 退火态Fe-Ga涂层磁致伸缩性能

图5为不同退火温度下Fe-Ga涂层磁致伸缩系数随磁场的变化曲线。沉积态Fe-Ga涂层的磁致伸缩系数是28×10-6左右，对应地磁致伸缩饱和磁场接近111.44 kA/m。当退火温度为300～400 ℃时，磁致伸缩系数增加，400 ℃退火后为32 ×10-6。随着退火温度的逐渐升高，700 ℃退火后，磁致伸缩系数达46 ×10-6，对应地饱和磁场接近19.9 kA/m。退火过程中磁致伸缩变化有两方面原因。

首先，退火后采用水淬冷却使Fe-Ga涂层保持高温A2相，无其他新相形成，随退火温度的升高，晶粒发生回复和再结晶，内部残余应力逐渐释放，原子有序度提高，所以磁致伸缩系数增加。其次，磁致伸缩的饱和磁场随退火温度的升高而减小，这可能与残余应力的释放、缺陷或原子有序程度有关，在外加磁场作用下，磁畴的旋转变得更加容易，从而降低了磁致伸缩饱和场。因此，适当的退火处理工艺可以改善磁致伸缩性能，对制备高性能材料具有一定的指导意义。

图5 不同退火温度下Fe-Ga涂层磁致伸缩随磁场的变化Fig 5 Magnetostrictive curves for Fe-Ga coatings annealed at different temperatures

3 结 论

针对磁致伸缩导波监检测技术存在的监测成本高、检测对象局限性的问题，提出在被检测试件上沉积磁致伸缩涂层的方法，进而研究热处理过程中Fe-Ga涂层的相结构、微观组织变化和磁致伸缩性能，得出如下结论：

(1)沉积态Fe-Ga涂层结合致密，具有典型的层状结构，平均孔隙率小于1.6%，具有单一的A2相结构。

(2)300～700 ℃退火过程中，水淬退火使Fe-Ga涂层保持单一的A2相结构，涂层内部的变形晶粒逐渐发生回复和再结晶，残余应力逐渐释放，700 ℃退火后，发生完整地再结晶。

(3)退火态Fe-Ga涂层在外磁场的作用下，磁致伸缩系数逐渐增加，对应地饱和磁场逐渐降低，700 ℃退火后磁致伸缩达46×10-6，饱和磁场接近19.9 kA/m。