等离子与电弧喷涂Ni_Cr_Al涂层结合强度和磨粒磨损性能_陈亚军
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粉末颗粒大部分为规
则的形状,颗粒分 布 均 匀,这 就 大 大 提 高 了 合 金 粉 末 的 流 动 性 ,好 的 流 动 性 保 证 了 在 喷 涂 过 程 中 喷 枪 的 送 粉 顺 畅 ,而 且 在 喷 涂 过 程 中 受 到 的 拖 拽 力 比 较 稳 定 。
2. School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
Abstract:Morphology,bond strength,residual stress and wear resistance of plasma sprayed and arc sprayed Ni-Cr-Al coatings were investigated by means of SEM,fensile test,Almen method and wearing tests. The relationships between the coating thickness and bonding strength and deflection of the Alwen strips were examined. Both coatings exhibit typical characteristic layered structure with good bonding interface. The bond strength and deflection of the coated samples decrease with the increase of coating thickness. When the thickness of coating is greater than 0. 5 mm,the decline range of bonding strength and deflection of plasma-sprayed coating is higher than that of arcsprayed coating with the increase of thickness. The bonding strength of plasma-sprayed coating is 21. 57 MPa and deflection is 10. 9 × 10 - 3 in ( l in = 25. 4 mm ) with the max thickness of 1. 3 mm. For the arc-sprayed coating,the bonding strength is 22. 79 MPa and deflection is 10. 9 × 10 - 3 in when the coating thickness is 2. 2 mm. Weight loss increases with the increasing of wearing time and load while the relative weight loss decreases when the wearing time increases. Key words:plasma spraying; arc spraying; bond strength; wear resistance; coating thickness
Ni-Cr-Al 涂层因具有优 良 的 耐 磨、耐 蚀 及 粘 结 性 而 广 泛 用 于 磨 损 零 件 的 尺 寸 恢 复[1 -3 ]。 等 离 子 和 电 弧 喷涂是目前 制 备 Ni-Cr-Al 涂 层 的 两 种 主 要 方 法[4-5]。 在实际使用中发现涂层的结合强度和残余应力与涂 层厚度之间存在 一 定 的 关 系[6-8],由 于 涂 层 的 结 合 强 度和残余应力直 接 影 响 涂 层 的 使 用 寿 命,因 此,对 这 一问题进行试验研究具有一定工程价值。相关研究 主 要 在 两 个 方 面 ,一 是 涂 层 沉 积 和 冷 却 过 程 中 残 余 应
力的形成 机 理 研 究[9]; 二 是 残 余 应 力 的 实 验 检 测 及 其对材料 性 能 影 响 的 研 究[10]。 目 前,尚 未 见 到 关 于 采用等离子和电弧喷涂两种方法制备涂层并研究残 余应力和结合强度与厚度之间的关系及相关耐磨性 研 究 的 报 道 。 本 文 从 组 织 结 构 、结 合 强 度 和 耐 磨 性 等 方面对上述两 种 喷 涂 方 法 制 备 的 Ni-Cr-Al 涂 层 的 性 能 进 行 比 较 ,以 期 为 以 后 的 工 作 提 供 参 考 依 据 。
Ni-Cr-Al coatings
CHEN Ya-jun1,2 , WANG Zhi-ping1 , JI Zhao-hui1 , WANG Li-jun2
(1. Sino-European Institute of Aviation Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;
(1. 中国民航大学中欧航空工程师学院,天津 300300; 2. 天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)
摘 要: 采用等离子和电弧两种方法制备厚度不同的 Ni-Cr-Al 涂层,对比涂层在不同 喷 涂 工 艺 下 的 组 织 结 构 、结 合 强 度、涂 层 挠
度和耐磨性能,并研究涂层结合强度和挠度随涂层厚度变化的规律。结果表明:涂层组织均呈现出典型的层 状 结 构 特 征,界 面 结
第32卷 第2期 2011年 2月
材料热处理学报
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol . 3 2 No . 2 February 2 0 1 1
等离子与电弧喷涂 Ni-Cr-Al 涂层结合强度和磨粒磨损性能
陈亚军1,2 , 王志平1 , 纪朝辉1 , 王立君2
磨 损 量 则 降 低 ,涂 层 的 磨 损 量 随 着 磨 损 试 验 载 荷 的 增 大 而 增 大 。
关键词:等离子喷涂; 电弧喷涂; 结合强度; 耐磨性; 厚度
中图分类号: TG174. 44
文献标志码: A
文章编号: 1009-6264(2011)02-0119-05
Bond strength and wear performance of plasma sprayed and arc sprayed
收稿日期: 2010-02 -23 ; 修订日期: 2010-05 -31 基金项目: 民航局科技项目计划资助( MHRD200811) 作者简介: 陈亚军(1976 —) ,男,副教授,博 士,主 要 从 事 热 喷 涂 技 术 方面研究,发表论文 8 篇,E-mail:zh710 @ 126. com。
图 1 Metco443NS 喷涂粉末形貌 Fig. 1 Morphology of Metco443NS powder
图 2( a) 为 电 弧 喷 涂 涂 层,可 见 雾 化 后 的 液 态 粒 子 在 形 成 涂 层 时 产 生 了 很 大 的 变 形 ,涂 层 粒 子 扁 平 化 程度较高,具有明 显 的 层 状 结 构 特 征,这 是 由 于 电 弧 喷涂时,被 电 弧 雾 化 的 液 态 粒 子 撞 击 并 沉 积 在 基 体 上,随后飞来的粒 子 沉 积 到 已 凝 固 的 涂 层 表 面,堆 叠 镶 嵌 而 形 成 一 种 以 机 械 结 合 为 主 的 喷 涂 层 ,其 组 织 致 密 、无 微 裂 纹 和 粗 大 、贯 穿 的 孔 隙 。
图 2 涂层界面的扫描电镜照片 ( a) 电弧喷涂涂层;( b) 等离子喷涂涂层 Fig. 2 SEM images of the coating section ( a) arc sprayed coating; ( b) plasma sprayed coating
1 试验材料及方法
1. 1 试验材料 等离 子 喷 涂 粉 末 采 用 Metco443NS 粉 末,粒 度 为
- 120 ~ + 325 目。 电弧喷涂丝材为 Ni-Cr-Al 合 金 丝 材,直径 1. 6 mm,牌号为 73MXC。粉末和丝材的成
120
材料热处理学报
第 32 卷
分 均 为 70Ni-18Cr-6Al-6 余 量 ( 质 量 分 数,% ) 。 基 底 材料为 45 钢,喷涂前进行丙酮清洗和喷砂处理。 1. 2 喷涂方法
合良好。结合强度和挠度均随着厚度的增加而降低,当厚度 > 0. 5 mm 时,等离子涂层的结合强度和挠度 随 厚 度 下 降 的 幅 度 要 大 于电弧喷涂涂层,其中等离子涂层最大厚度为 1. 3 mm 时 结 合 强 度 为 21. 57 MPa,挠 度 为 10. 9 × 10 - 3 in( l in = 25. 4 mm) ,而 电 弧 喷 涂涂层厚度为 2. 2 mm 时的结合强度为 22. 79 MPa,挠度 10. 3 × 10 - 3 in,涂层的绝对磨损量随着磨损时间的增加而升高,但相对
利用带 有 EDS 的 PHILIPS XL30 / TMP 型 扫 描 电 子显微镜( SEM) 观察和分析等离子喷涂粉末的形貌 和化学成分、涂层 的 组 织 结 构、涂 层 与 基 体 金 属 的 界 面结合形貌、磨损表面形貌等;参 照 ASTME8-2004 规 定的拉伸试验方法在 CMT5605 型电子万能实验机上 作拉伸试验。在经过预处理的圆柱端面上喷涂涂层, 同经 过 喷 砂 处 理 的 对 偶 件 用 E-7 胶 进 行 对 心 粘 接, 189 ℃ 保温 4 h 完全固化后进行拉伸试验。每组涂层 采用 5 对相同厚度试样进行测试,取其平均值作为其 结合强度值; 采 用 国 际 标 准 的 Almen 方 法 测 残 余 应 力,所用试片为 A 型 试 片,材 质 为 冷 轧 弹 簧 钢,在 试 片上喷涂一系列不同厚度的镍铬铝涂层,利用 PART74154 型 Almen 试片测试计测 量 挠 度 的 数 值,以 此 来 表征涂层残 余 应 力 的 大 小。 采 用 根 据 ASTMG 65-04 标准制造的 MLG-130 型 干 砂 橡 胶 轮 磨 损 试 验 机,对 等 离 子 和 电 弧 喷 涂 涂 层 进 行 磨 损 性 能 对 比 测 试 ,依 靠 磨粒(石英砂)在橡胶轮和试件表面流动从而引起磨 损,试 验 参 数 为:橡 胶 轮 转 速 200 r / min,橡 胶 轮 硬 度 60 ( 邵尔硬度) ,载荷分别为 45 N 和 130 N,砂流量分 别为 300 ~ 400 g / min。 磨 料 为 50 ~ 70 目 的 石 英 砂, 磨损过 程 中 每 隔 10 s,称 量 并 记 录 试 样 的 磨 损 量,共 3 组试样取平均值。磨损试 验 后,在 磨 痕 中 部 用 线 切 割的方法加工出 4 mm × 4 mm 的小块,用扫描电镜观 察涂层的磨损形貌。
分别采用等离子和电弧两种喷涂方法制备厚度 分别 0. 3、0. 4、0. 5、0. 6、0. 7、0. 8、0. 9、1. 0、1. 3、1. 6、 1. 9 和 2. 2 mm 的 拉 伸 试 样、Almen 试 片 试 样 和 涂 层 厚度 为 0. 8 mm 的 磨 损 试 样。 等 离 子 喷 涂 采 用 Praxair-3710 型等离子喷涂系统( 主气 Ar 气,辅气 He 气) ,喷枪为 SG-100,枪内送粉,喷涂电流为 700 A,喷 涂电压为 41 V,喷涂距离 140 mm,主气流 量 56. 6 L / min,辅 气 流 量 28. 3 L / min。 电 弧 喷 涂 采 用 Praxair9935 型电弧喷枪,喷涂电流 160 A,喷涂电压 32 V,雾 化空气压 力 0. 5 MPa,喷 涂 距 离 160 mm。 喷 涂 过 程 均采用六轴机械手( AMS2400 /16) 完成。 1. 3 测试方法
则的形状,颗粒分 布 均 匀,这 就 大 大 提 高 了 合 金 粉 末 的 流 动 性 ,好 的 流 动 性 保 证 了 在 喷 涂 过 程 中 喷 枪 的 送 粉 顺 畅 ,而 且 在 喷 涂 过 程 中 受 到 的 拖 拽 力 比 较 稳 定 。
2. School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
Abstract:Morphology,bond strength,residual stress and wear resistance of plasma sprayed and arc sprayed Ni-Cr-Al coatings were investigated by means of SEM,fensile test,Almen method and wearing tests. The relationships between the coating thickness and bonding strength and deflection of the Alwen strips were examined. Both coatings exhibit typical characteristic layered structure with good bonding interface. The bond strength and deflection of the coated samples decrease with the increase of coating thickness. When the thickness of coating is greater than 0. 5 mm,the decline range of bonding strength and deflection of plasma-sprayed coating is higher than that of arcsprayed coating with the increase of thickness. The bonding strength of plasma-sprayed coating is 21. 57 MPa and deflection is 10. 9 × 10 - 3 in ( l in = 25. 4 mm ) with the max thickness of 1. 3 mm. For the arc-sprayed coating,the bonding strength is 22. 79 MPa and deflection is 10. 9 × 10 - 3 in when the coating thickness is 2. 2 mm. Weight loss increases with the increasing of wearing time and load while the relative weight loss decreases when the wearing time increases. Key words:plasma spraying; arc spraying; bond strength; wear resistance; coating thickness
Ni-Cr-Al 涂层因具有优 良 的 耐 磨、耐 蚀 及 粘 结 性 而 广 泛 用 于 磨 损 零 件 的 尺 寸 恢 复[1 -3 ]。 等 离 子 和 电 弧 喷涂是目前 制 备 Ni-Cr-Al 涂 层 的 两 种 主 要 方 法[4-5]。 在实际使用中发现涂层的结合强度和残余应力与涂 层厚度之间存在 一 定 的 关 系[6-8],由 于 涂 层 的 结 合 强 度和残余应力直 接 影 响 涂 层 的 使 用 寿 命,因 此,对 这 一问题进行试验研究具有一定工程价值。相关研究 主 要 在 两 个 方 面 ,一 是 涂 层 沉 积 和 冷 却 过 程 中 残 余 应
力的形成 机 理 研 究[9]; 二 是 残 余 应 力 的 实 验 检 测 及 其对材料 性 能 影 响 的 研 究[10]。 目 前,尚 未 见 到 关 于 采用等离子和电弧喷涂两种方法制备涂层并研究残 余应力和结合强度与厚度之间的关系及相关耐磨性 研 究 的 报 道 。 本 文 从 组 织 结 构 、结 合 强 度 和 耐 磨 性 等 方面对上述两 种 喷 涂 方 法 制 备 的 Ni-Cr-Al 涂 层 的 性 能 进 行 比 较 ,以 期 为 以 后 的 工 作 提 供 参 考 依 据 。
Ni-Cr-Al coatings
CHEN Ya-jun1,2 , WANG Zhi-ping1 , JI Zhao-hui1 , WANG Li-jun2
(1. Sino-European Institute of Aviation Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;
(1. 中国民航大学中欧航空工程师学院,天津 300300; 2. 天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)
摘 要: 采用等离子和电弧两种方法制备厚度不同的 Ni-Cr-Al 涂层,对比涂层在不同 喷 涂 工 艺 下 的 组 织 结 构 、结 合 强 度、涂 层 挠
度和耐磨性能,并研究涂层结合强度和挠度随涂层厚度变化的规律。结果表明:涂层组织均呈现出典型的层 状 结 构 特 征,界 面 结
第32卷 第2期 2011年 2月
材料热处理学报
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol . 3 2 No . 2 February 2 0 1 1
等离子与电弧喷涂 Ni-Cr-Al 涂层结合强度和磨粒磨损性能
陈亚军1,2 , 王志平1 , 纪朝辉1 , 王立君2
磨 损 量 则 降 低 ,涂 层 的 磨 损 量 随 着 磨 损 试 验 载 荷 的 增 大 而 增 大 。
关键词:等离子喷涂; 电弧喷涂; 结合强度; 耐磨性; 厚度
中图分类号: TG174. 44
文献标志码: A
文章编号: 1009-6264(2011)02-0119-05
Bond strength and wear performance of plasma sprayed and arc sprayed
收稿日期: 2010-02 -23 ; 修订日期: 2010-05 -31 基金项目: 民航局科技项目计划资助( MHRD200811) 作者简介: 陈亚军(1976 —) ,男,副教授,博 士,主 要 从 事 热 喷 涂 技 术 方面研究,发表论文 8 篇,E-mail:zh710 @ 126. com。
图 1 Metco443NS 喷涂粉末形貌 Fig. 1 Morphology of Metco443NS powder
图 2( a) 为 电 弧 喷 涂 涂 层,可 见 雾 化 后 的 液 态 粒 子 在 形 成 涂 层 时 产 生 了 很 大 的 变 形 ,涂 层 粒 子 扁 平 化 程度较高,具有明 显 的 层 状 结 构 特 征,这 是 由 于 电 弧 喷涂时,被 电 弧 雾 化 的 液 态 粒 子 撞 击 并 沉 积 在 基 体 上,随后飞来的粒 子 沉 积 到 已 凝 固 的 涂 层 表 面,堆 叠 镶 嵌 而 形 成 一 种 以 机 械 结 合 为 主 的 喷 涂 层 ,其 组 织 致 密 、无 微 裂 纹 和 粗 大 、贯 穿 的 孔 隙 。
图 2 涂层界面的扫描电镜照片 ( a) 电弧喷涂涂层;( b) 等离子喷涂涂层 Fig. 2 SEM images of the coating section ( a) arc sprayed coating; ( b) plasma sprayed coating
1 试验材料及方法
1. 1 试验材料 等离 子 喷 涂 粉 末 采 用 Metco443NS 粉 末,粒 度 为
- 120 ~ + 325 目。 电弧喷涂丝材为 Ni-Cr-Al 合 金 丝 材,直径 1. 6 mm,牌号为 73MXC。粉末和丝材的成
120
材料热处理学报
第 32 卷
分 均 为 70Ni-18Cr-6Al-6 余 量 ( 质 量 分 数,% ) 。 基 底 材料为 45 钢,喷涂前进行丙酮清洗和喷砂处理。 1. 2 喷涂方法
合良好。结合强度和挠度均随着厚度的增加而降低,当厚度 > 0. 5 mm 时,等离子涂层的结合强度和挠度 随 厚 度 下 降 的 幅 度 要 大 于电弧喷涂涂层,其中等离子涂层最大厚度为 1. 3 mm 时 结 合 强 度 为 21. 57 MPa,挠 度 为 10. 9 × 10 - 3 in( l in = 25. 4 mm) ,而 电 弧 喷 涂涂层厚度为 2. 2 mm 时的结合强度为 22. 79 MPa,挠度 10. 3 × 10 - 3 in,涂层的绝对磨损量随着磨损时间的增加而升高,但相对
利用带 有 EDS 的 PHILIPS XL30 / TMP 型 扫 描 电 子显微镜( SEM) 观察和分析等离子喷涂粉末的形貌 和化学成分、涂层 的 组 织 结 构、涂 层 与 基 体 金 属 的 界 面结合形貌、磨损表面形貌等;参 照 ASTME8-2004 规 定的拉伸试验方法在 CMT5605 型电子万能实验机上 作拉伸试验。在经过预处理的圆柱端面上喷涂涂层, 同经 过 喷 砂 处 理 的 对 偶 件 用 E-7 胶 进 行 对 心 粘 接, 189 ℃ 保温 4 h 完全固化后进行拉伸试验。每组涂层 采用 5 对相同厚度试样进行测试,取其平均值作为其 结合强度值; 采 用 国 际 标 准 的 Almen 方 法 测 残 余 应 力,所用试片为 A 型 试 片,材 质 为 冷 轧 弹 簧 钢,在 试 片上喷涂一系列不同厚度的镍铬铝涂层,利用 PART74154 型 Almen 试片测试计测 量 挠 度 的 数 值,以 此 来 表征涂层残 余 应 力 的 大 小。 采 用 根 据 ASTMG 65-04 标准制造的 MLG-130 型 干 砂 橡 胶 轮 磨 损 试 验 机,对 等 离 子 和 电 弧 喷 涂 涂 层 进 行 磨 损 性 能 对 比 测 试 ,依 靠 磨粒(石英砂)在橡胶轮和试件表面流动从而引起磨 损,试 验 参 数 为:橡 胶 轮 转 速 200 r / min,橡 胶 轮 硬 度 60 ( 邵尔硬度) ,载荷分别为 45 N 和 130 N,砂流量分 别为 300 ~ 400 g / min。 磨 料 为 50 ~ 70 目 的 石 英 砂, 磨损过 程 中 每 隔 10 s,称 量 并 记 录 试 样 的 磨 损 量,共 3 组试样取平均值。磨损试 验 后,在 磨 痕 中 部 用 线 切 割的方法加工出 4 mm × 4 mm 的小块,用扫描电镜观 察涂层的磨损形貌。
分别采用等离子和电弧两种喷涂方法制备厚度 分别 0. 3、0. 4、0. 5、0. 6、0. 7、0. 8、0. 9、1. 0、1. 3、1. 6、 1. 9 和 2. 2 mm 的 拉 伸 试 样、Almen 试 片 试 样 和 涂 层 厚度 为 0. 8 mm 的 磨 损 试 样。 等 离 子 喷 涂 采 用 Praxair-3710 型等离子喷涂系统( 主气 Ar 气,辅气 He 气) ,喷枪为 SG-100,枪内送粉,喷涂电流为 700 A,喷 涂电压为 41 V,喷涂距离 140 mm,主气流 量 56. 6 L / min,辅 气 流 量 28. 3 L / min。 电 弧 喷 涂 采 用 Praxair9935 型电弧喷枪,喷涂电流 160 A,喷涂电压 32 V,雾 化空气压 力 0. 5 MPa,喷 涂 距 离 160 mm。 喷 涂 过 程 均采用六轴机械手( AMS2400 /16) 完成。 1. 3 测试方法