热喷涂NiCr_Cr_3C_2_NiCrCoAlY涂层的微观组织结构及抗震性能

大量的空气， 熔融颗粒容易吸附这些气体， 冷却凝 固时无法彻底排除， 于是在组织中留下缺陷， 从而 形成气孔。 因此 )*’7& 可以抑制外部介质 )* 是强脱氧剂， 对母材金属的进一步腐蚀。 同时， "# 还具有细化晶粒 的作用， 增强韧性。 而 $% 的硬度高， 生成的 $%’7& 氧 化膜不但能阻止气体对涂层的进一步氧化， 同时还 可以增强涂层的耐磨性。
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专 题 讨 论 — — 材 料 改 性 与 表 面 工 程 技 术
材料改性与表面工程技术
电焊机
第 &5 卷
ຫໍສະໝຸດ Baidu
固时放热的烧结作用较少， 因此其硬度较低。 试样抛光和测试过程中存在的误差对结果也 有一定的影响。
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涂层热震实验结果分析
涂层热震破坏形式、 出现裂纹前热循环次数
层热震前原始显微组织形态。
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显微硬度分析
涂层显微硬度分布曲线图如图 ’ 所示。 试样从
涂层与基材结合处开始取值， 到涂层外边缘处停止
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取值。 相邻两点之间压痕中心的距离不低于 ’. ! 9。
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图! 涂层原始显微组织形态断面图
专 题 讨 论 — — 材 料 改 性 与 表 面 工 程 技 术
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图’
涂层显微硬度分布曲线图
从图 ! 中可以很清楚地看到， 涂层为典型的扁 片层状结构， 层与层之间结合紧密， 但分层明显， 界 面上存在有微小的气孔。 "#$%!$%&$’ 涂层的氧化比 较明显。 图 !, 中浅灰色区域富 234 成分分析表明： 含 "#、 而深灰色区域主要以 $% 的碳化物 56、 7 元素， 为主， 结合区域主要以 )*、 同时伴随有 "#、 56 为主， 少量 4#、 图 !1 中的氧化物分区不明显， 8( 的化合物； 从 234 的分析结果得出： 氧化物分为两层， 与基体 结合部位以 )* 的氧化物为主， 而 $(、 $%、 "#、 + 的氧 化物主要分布在涂层的面层上。 由于喷涂过程的氧 化以及各种元素在喷涂过程中喷射到基材后的凝 固状态存在差别， 因此造成了涂层的成分偏析。 因此在喷涂过程中放热较 )* 是自放热型金属， 为剧烈， 与 "# 发生反应， 生成金属间化合物 "#&)*， 增加涂层与基体的黏结性能。 过渡层不但能与基 体， 而且能与涂层形成微冶金结合， 提高结合力， 增 加结合强度。 在喷涂过程中， 由于粒子是分批逐渐喷射到金 属表面上的， 后来的粒子熔化有可能不好， 撞击后 粒子变形不佳， 结合不好； 加之在喷涂环境中存在
%JQJ*%N-JT 9F O-9Q L*LJ%6>-J %JQC<O Q-;PJQ O-*O O-J +9N%;-*%TFJQQ ;V N;*O9FG 19:%!:%,:’ N;*O9FG 9Q UJOOJ% O-*F O-*O ;V 19:%:;$<=， *FT O-J O-J%+*< Q-;N! L%;LJ%O9JQ ;V N;*O9FG 19:%:;$<= 9Q UJOOJ% O-*F O-*O ;V 19:%!:%,:’6 WJM P;%TQ： L<*Q+* QL%*M ； N;*O9FG ； +9N%;QO%CNOC%J ； +9N%;-*%TFJQQ； O-J%+*< Q-;N! L%;LJ%O9JQ
前言
铁路机车车辆零部件在服役过程中， 长期处于 高腐蚀、 高温、 热循环的恶劣工作环境， 失效情况十 分严重。 热喷涂涂层是一种对关键机械零部件进行 表面强化， 大幅度提高零件性能， 延长整机使用寿 命的有效方法。 而涂层的抗热震性能是检验其优异 的高温性能能否得到充分发挥的重要制约因素。 在 此， 采用等离子喷涂方法制备了两种涂层， 通过对 涂层微观组织结构、 显微硬度以及抗热震性能的研 究， 达到对关键零部件进行表面强化， 提高零部件 使用寿命的目的。
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显微硬度实验
在 &YZ./555>(![:Z 显微硬度计上用压痕法 测定涂层的显微硬度， 加载 ’67@ 1 ， 保持载荷 /3 Q。
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热震实验
试样在加热炉中加热到 \55 ] ， 保温 /3 +9F， 取 出水淬急冷； 先观察是否破坏， 再制成金相样品， 用 扫 描 电 镜 0KH(2 和 能 谱 仪 0HZK2 进 行 热 震 失 效 特 性 分析。 以涂层开裂或剥落作为热震破坏判断依据， 若 无破坏， 重复热震实验。 以出现裂纹前和破坏前经历 的热循环次数作为热震性能判断依据^/_。
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膜对防止氧气以及其他有害气体杂质对涂层的侵 蚀有帮助， 但是在热震条件下， 这些氧化物保护膜 容易被破坏， 使得有害物质通过薄膜进入涂层内部， 生成一些不稳定的氧化物， 从而对涂层裂纹的形成 产生很大的作用。 对于基材和过渡层而言， 由于彼此之间热膨胀 系数匹配程度较好， 对热应力有一定的阻碍和缓和 作用， 因此只是发生韧性断裂， 由于韧性裂纹的扩 展速度明显慢于脆性裂纹， 因此过渡层和基体上裂
34
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热疲劳， 萌生裂纹。 分析认为： 在加热阶段， 涂层主要 承受拉应力， 基材承受压应力， 拉应力导致涂层内 部产生裂纹和开裂， 同时晶粒之间产生剪切应力， 导致涂层发生脆性断裂。 在冷却阶段， 涂层受压应力， 基材受拉应力， 也会导致基材金属产生裂纹甚至开 裂。 随着循环次数的不断重复， 循环热应力导致裂 纹延伸和扩展， 并逐渐扩展成网状， 最终造成涂层 的脱落@3A。 虽然在喷涂条件下形成的 $%’B& 或 0+’B& 保护
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纹要少得多。 同时， 基体温度的预热程度、 涂层的厚
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材料改性与表面工程技术
苟国庆等： 热喷涂 !"#$!#$%#&、 !"#$#’()* 涂层的微观组织结构及抗震性能
第 ++ 期
度也是造成涂层开裂和脱落的原因。 对比 & 种不同的涂层， !"#$#’()* 涂层在喷涂 后， 较 !"#$!#$%#& 涂 层 具 有 更 高 的 致 密 程 度 、 更低 的气孔率， 氧化程度也没有 !"#$!#$%#& 涂层高。 在经 过热震性能实验后， !"#$#’()* 涂层的抗热震性能 优于 !"#$!#$%#& 涂层， 同时其微裂纹比较均匀、 细 分析 小， 涂层开裂程度也没有 !"#$!#$%#& 涂层明显。 其原因： !" 合金粉末的影响。 !"#$#’()* 粉末中加入 了 #’、 而 !"#$!#$%#& 粉末的纯度较 ()、 * 等合金成分， 高， 只是在喷涂过程中用镍包铝进行了打底。 !"#$!
涂层表面出现微小裂纹， 沿 "#$%!$%&$’ 过渡层!涂层界面涂层开始 脱离， 逐步脱离 涂层表面现微小裂纹， 沿涂 逐 "#$%$/012 层 !基 体 界 面 开 始 脱 离 ， 步脱落
从图中可以看到， 经过热震后， 相对于原始涂
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层， 两种涂层均有大量的氧化物生成， 并且在图片 上可以明显地看到网状微裂纹的分布。 热震过程中， 涂层首先在局部区域开始出现裂 纹， 随着热循环次数的增加， 涂层破坏程度增加， 涂 层部分区域结构开始破碎， 最后涂层脱落。 涂层与基体之间的结合力以及涂层内聚力的 应力梯度是造成涂层开裂、 延伸、 脱落的主要原因。 基材金 "#$%$/012 的热膨胀系数为 +&-+,<6!=， <6 属 >? 的 热 膨 胀 系 统 为 +3-+, != ， "#$%!$%&$’ 的 热 在热震过程中， 由于交 膨胀系数低于 "#$%$/012 的。 变循环热应力的不断作用， 加之基体与涂层之间热 膨胀系数的不匹配， 引发涂层内部出现热应力， 产生
涂层前用镍包铝粉末打底； 表 / 为喷涂工艺参数。 表!
喷涂 工作 功率 电压 工作 电流
等离子喷涂工艺参数
$%!&’
压强
$% 流量 ・ $!+, -./ ’65
!!!" "!# ,3 45
#!$ 355
!!()* 567
&’ 流量 送粉气 ・ $!+, -./ 流量 01’2 ・ $!+, -./ 56’ 568
热震后 "#$%!$%&$’ 涂层的平均硬度是 :;< =>， "#$%!$%&$’ 涂层的平均硬度是 ;:: =>； "#$%$()*+ 涂 层的平均硬度是 &.< =>， 热震后 "#$%$()*+ 涂层的 平均硬度是 &<? =>。 从图 ’ 和实验数据可以得出， 经过热震后涂层的硬度高于原始涂层。 分析认为： 材料的硬度是由材料各相的本征硬 度决定的。 "#$%!$%&$’ 涂层中含有大量 $% 的碳化物 和氧化物， 碳化物和氧化物等硬质相有助于提高涂 层的显微硬度@’A。 而在 "#$%$()*+ 涂层中这些元素的 含量相对较少。 热震加热过程中， 涂层中有大量的氧 化物生成， 因此相对于原始涂层， 硬度值有所提升。 涂层硬度越高， 耐磨粒磨损的能力越强@&A。 分析认为， 喷涂后对涂层进行热处理有助于提高涂层的硬度， 改善涂层的耐磨性能。 从图 ’ 分析得出： 显微硬度的测定结果出现分 散性， 这主要是由于热喷涂涂层成分和显微结构上 的不均匀， 喷涂过程中各种元素喷射到基材后造成 了涂层的成分偏析。 同时由于在喷涂过程中， 反复的 热循环过程造成颗粒高速撞击基材和先前沉积涂 层而引起了加工硬化现象。 涂层外边缘部位的硬度 较低， 这是由于涂层外边缘部分受后续熔融颗粒凝
以及破坏前热循环次数见表 ’ 。 图 & 是 "#$%!$%&$’、
"#$%$/012 涂层的热震实验 9:; 照片。 表 ! 热震实验结果
涂层组分 破坏形式 出现裂纹 破坏前热 前热循次 循环次数 数 !!次 !!次
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图& 涂层热震显微组织形态图
专 题 讨 论 — — 材 料 改 性 与 表 面 工 程 技 术
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实验内容和方法
等离子喷涂工艺实验
实验选择 X’,3 钢板为基材； 设计了 19:%!:%,:’、
喷涂 19:%!:%,:’ 19:%:;$<= 两种等离子喷涂涂层；
收稿日期： ’553.57.54 作者简介： 苟国庆0/747—2， 男， 四川攀枝花人， 在读硕士， 主要
从事热喷涂、 防腐、 焊接和表面工程方面的研究。
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实验结果及分析
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材料改性与表面工程技术
苟国庆等： 热喷涂 "#$%!$%&$’、 "#$%$()*+ 涂层的微观组织结构及抗震性能
第 !! 期
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涂层原始显微组织形貌
图 ! 是 等 离 子 喷 涂 "#$%!$%&$’、 "#$%$()*+ 涂
微硬度及抗热震性能实验。 结果表明： 而 19:%:;$<= 涂层的 19:%!:%,:’ 涂层的硬度高于 19:%:;$<= 涂层， 抗热震性能优于 19:%!:%,:’ 涂层。 等离子喷涂； 涂层； 微观组织结构； 显微硬度； 热震性能 关键词： 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： >?/4@6@ $ /55/.’,5,0’5532//.55,8.5@
第
,3 卷 第 // 期 ’553 年 // 月
电焊机
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#;<6,3 1;6// 1;S6’553
热喷涂 19 :% ‘ :%,:’、 19 :% :;$<= 涂层的 微观组织结构及抗震性能
苟国庆 !， 陈 辉 !， 涂铭旌 "
四川 成都 8/55,/； 四川 成都 8/553/2 0/6西南交通大学 热喷涂研究所， ’6四川大学 材料学院， 研究分析了等离子喷涂 19:%!:%,:’、 并对 ’ 种涂层进行了显 摘要： 19:%:;$<= 涂层的微观组织结构，