冷喷涂Al-Al2O3涂层的制备及性能研究

冷喷涂Al-Al2O3涂层的制备及性能研究

E. Irissou, J.-G. Legoux, B. Arsenault and C. Moreau

（加拿大国家研究委员会——工业材料研究所，加拿大）

Investigation of Al-Al2O3 Cold Spray Coating Formation

and Properties

E. Irissou, J.-G. Legoux, B. Arsenault and C. Moreau

（National Research Council Canada – Industrial Materials Institute, Boucherville, QC,

Canada）

摘要：本文研究了冷喷涂制备Al-Al2O3陶瓷涂层的机理及性能，对两种平均尺寸为36μm和81μm的球形铝粉进行了比较，在这些铝粉中掺入不同浓度的氧化铝，采用商用低压冷喷涂设备制备涂层。利用扫描电镜和显微硬度分析了粉末和涂层的性能，测量了所有粉末的飞行粒子速率，在实验条件下测量了沉积效率，采用结合强度测试、磨损试验、腐蚀试验（即盐雾试验和盐水交替浸泡试验）等分析了涂层的性能，这些性能与原料粉末或涂层中氧化铝的组成有关。

1 前言

冷气动力喷涂技术（CGDS）或冷喷涂，是指在低于材料熔点温度将粒子高速喷射到基体表面形成涂层。早在1903年和1963年，已经有专利采用高压气体加速金属颗粒产生超音速，粉末颗粒经加速后在完全固态下撞击基体形成涂层。但是只在几十年后这项技术才得到了有效发展及运用到各商业领域。如今，冷喷涂体系分为两种，即高压和低压，临界气压值分别为2-5MPa和0.3-1MPa。

相对于低压喷涂设备，高压喷涂设备能获得更高的粒子速度，从而提高了沉积效率，拓宽了喷涂合格材料的范围。但主要缺点是采用高压气体（N2或He）高速喷涂粉末（粉末流量120-220 m3/h），成本较高。采用低压冷喷涂金属，如Al，Zn，Cu，Co和Ni能获得性能相当好的涂层，但沉积效率较低，这项技术只适合于特定的少数环境，因为操作成本低可以克服粉末消耗高这一问题。

研究表明在原始金属粉末中加入硬相粒子可以提高沉积效率，这种情况下，沉积效率可提高20-30%，

涂层孔隙率可降低1-7%，结合强度可提高40-80 MPa，从而提高了涂层的质量。就冷喷涂制备陶瓷和韧性混合粉末的涂层形成机理说明已有大量研究，但目前很少有关于陶瓷粒子掺杂对涂层性能的影响的数据报道。

在我的另一篇文章中已说明，低压冷喷涂制备纯Al涂层，能有效防止应力腐蚀开裂。目前研究主要是探索涂层中的陶瓷粒子夹杂是否会影响这项性能。本文的研究主要有三方面：（1）分析Al-Al2O3混合粉末中Al粒子尺寸和Al2O3含量对涂层沉积效率及性能的影响；（2）确认添加陶瓷粒子是否会提高涂层的耐磨性；（3）分析陶瓷粒子夹杂是否会降低纯铝涂层的耐腐蚀性。

2 试验过程

2.1 涂层

采用低压冷喷涂设备（SST，Centerline，ON，Canada）在低碳钢和Al7075钢表面喷涂纯Al粉末和Al-Al2O3混合粉末，在所有的试验中，氮气的进气温度和压力分别设置为500℃和0.62MPa（90psi）。采用机械手操作喷枪，喷枪与基体表面保持1cm，横向移动速度为2mm/s。外部送粉装置的送粉速度为8～12g/min，氮气的流速为3 L/min。在喷涂之前，基体采用24号粒度的氧化铝喷砂或者1200号砂纸抛光。2.2 材料

本研究采用两种商业常用的Al粉末和一种氧化铝粉末，第一种Al粉末采用Sulzer Metco提供的54NS粉末，第二种Al粉末采用Alfa-Aesar提供的10576粉末，Al2O3粉末采用Plasmatec提供的PT105粉末，Al粉末以质量分数7%，10%，20%，30%，50%和75%的比例与Al2O3粉混合。

2.3 性能

采用飞行粒子时间监控仪（DPV2000，Tecnar Automation，St-Bruno，QC）测量粒子速度，利用激光二极管照亮飞行粒子。在低碳钢基体上喷涂沉积 3 mm 厚，在喷涂前后称重测定沉积效率。采用场发射扫描电镜（S4700，Hitachi，Tokyo，Japan）和维氏硬度计分析材料特性。采用激光粒度分析仪（LS320，Beckman Coulter，Miami，FL，USA）测量粉末平均粒度分布。利用结合强度、耐磨损和腐蚀试验分析涂层性能。结合强度测量参照ASTM C-633-99标准，磨损试验参照ASTM G-65-00程序D中加载45 N保压10分钟测量。进行了两种腐蚀试验，ASTM G 85标准盐雾试验（3.5%NaCl）和ASTM G 44-99标准盐水交替浸泡试验。后一种试验为，将试样浸泡在3.5%NaCl溶液中30分钟，后将试样脱离溶液置于干燥环境30分钟，后重复这个过程1000小时。

3 结果与讨论

3.1 粉末性能

图1所示为本试验中所采用的三种粉末的性质结果。Al2O3颗粒呈多角形状，硬度值高达2000 HV10g，

粉末的粒度分布对称，平均粒度为25.5 µm ，标准差为8.8 µm 。54NS Al 粉大多呈球形，主要是小颗粒团聚

形成大颗粒粉末，硬度值为25±3 HV 10g ，平均粒度为81.5µm ，标准差为23.1 µm 。粒度分布不对称，在120～

180 µm 范围有一个显而易见的体积分数。来自于Alfa-Aesar 的Al 粉与54NS Al 粉形状相似，但颗粒小，硬

度值与54NS Al 粉接近，为26±2 HV 10g ，平均粒度为36.2µm ，标准差为16.4 µm 。如图1所示，Alfa Al 粉在

35 µm 和80 µm 处具有双峰分布，后面的峰代表粒度约占总量的10%。

图1 三种粉末的粒度分布及SEM 表面形貌、维氏硬度值

3.2 飞行速度测量

将飞行粒子速度作为喷涂条件的一个函数对三种粉末进行了测量，三种速度分布是近似对称的一个高

斯分布，54NS 和Alfa Al 粉的平均速度分别为448 m/s 和584 m/s （如表1所示）。由于54NS 和Alfa Al 粉的

平均粒度分别为81 µm 和36 µm ，这些结果遵循流体动力学法则，ρν⋅∝d /1，这里平均速度 v 是与平

方根粒子直径d 和材料密度ρ成反比的。在氧化铝中，平均粒子速度为580 m/s 。Al 2O 3-Al (Alfa)的密度比

及平均粒度比分别为1.37和0.7。因此，根据速度与粒度及密度的关系，需要找到Al 2O 3 粒子和Al Alfa 粒子

相近的速度。

表1 本研究中基本粒子速度

对于纯铝而言，有研究Al 粒子开始平稳沉积到基体的临界速度为650-670 m/s ，同时，理论模型推测临