沉積電流對微納結構Fe-Al涂層表面潤濕性的影響

何照榮,連瑋琦,范志卿

(1.廣東石油化工學院 機電工程學院,廣東 茂名 525000;2.廣東石油化工學院 能源與動力工程學院,廣東 茂名 525000)

與不銹鋼和高溫合金相比較,Fe-Al金屬間化合物具有更優異的機械性能、耐蝕性和抗氧化性。作為一種金屬材料,Fe-Al金屬間化合物同時還具有良好的傳熱性能。因此,Fe-Al金屬間化合物可作為傳統工程材料應用于各種場合中[1]。通常,Fe-Al金屬間化合物可通過包鋁法[1]、自蔓延高溫合成技術[2]和爆炸噴涂法[3]等方法制備。雖然通過這些方法可有效地制備具有一定厚度的Fe-Al金屬間化合物涂層,但涂層中穩定的Fe-Al相需經過長時間的高溫(>650 ℃)作用才可形成,這種情況影響了Fe-Al金屬間化合物的應用。此外,關于Fe-Al涂層表面疏水性能的研究報道資料較少。因此,有必要開展Fe-Al涂層的制備技術和表面疏水性研究。

電火花沉積涂層(EDC)技術是一種常用的表面改性技術。由于電極和工件之間形成的電火花放電過程,電極的材料轉移到工件表面形成涂層[4]。同時,放電過程中產生的高溫有利于不同熔點的多種材料共同形成涂層[4,5],這為在涂層中制備穩定的Fe-Al相提供了可能性。除此之外,有報道指出通過合理設置EDC的工藝參數,能有機會獲得無缺陷的涂層[6,7]。EDC技術是一種簡便的加工技術,并且電解質可循環利用而無污染環境。因此,有必要開展采用EDC技術制備Fe-Al涂層的研究。而且EDC技術制備的涂層表面形貌中含有大量的微納結構,這與電火花加工(EDM)的表面相類似。這些微納結構將有助于提高Fe-Al涂層的表面疏水性。

本文采用EDC技術制備Fe-Al涂層,研究了EDC技術制備的Fe-Al涂層表面微納結構和潤濕性能,探討了工藝參數對Fe-Al涂層潤濕性能的影響規律。本文為Fe-Al涂層微納結構設計提供了新思路。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

實驗基體材質為低碳鋼(Q235,廣東順德中普鋼成貿易有限公司);Fe-Al電極(Fe、Al質量比為10∶1,直徑為25 mm,廣東工業大學);電火花加工液(M0251,中國石油化工股份有限公司);丙酮(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司);無水乙醇(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司)。

1.2 實驗設備

數控線切割機床(DK7740型,神威數控機床(江蘇)有限公司);數控電火花成型機(D7145型,江蘇三星精密機械有限公司);掃描電鏡(EVO-10型,德國卡爾蔡司集團);能譜儀(SmartEDX型,德國卡爾蔡司集團);X射線衍射儀(Ultima IV型,日本理學株式會社);接觸角測量儀(SDC-CAZ2型,東莞市晟鼎精密儀器有限公司);表面粗糙度測量儀(JB-1C型,上海精密儀器儀表有限公司);超聲清洗機(PS-20A型,潔康公司)。

1.3 微納結構Fe-Al涂層的制備

本實驗基體采用線切割方式處理為10 mm×10 mm×3 mm的尺寸。切割好的試樣表面采用金相砂紙打磨拋光,去除試樣表面氧化皮和雜質;然后試樣分別依次浸入丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗5 min,清洗完畢后取出吹干,以備加工使用。采用直徑25 mm的Fe-Al電極在試樣表面沉積Fe-Al涂層,實驗加工參數見表1。加工完畢后,再次將試樣依次浸入丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗10 min,去除表面殘留的電火花加工液,然后吹干以備后期退火處理。

表1 EDC技術制備Fe-Al涂層工藝參數

1.4 試樣結果表征

Fe-Al涂層試樣采用掃描電鏡和能譜儀分別表征微納結構層的微觀結構和表面成分,并采用X射線衍射儀分析涂層的晶體結構和組成。采用表面粗糙度測量儀測量涂層表面粗糙度,測量指標為Ra和Rz。采用接觸角測量儀測量微納結構層的接觸角,測試液滴為去離子水,液體體積為4 μL。測量接觸角時,液滴在表面隨機選取5個區域進行測試,附著在表面5 s后才讀數,最終實驗數值取測量值的算術平均值。

2 結果與分析

2.1 微納結構Fe-Al涂層微觀形貌

圖1顯示了低碳鋼基體表面和Fe-Al涂層表面微觀形貌。圖1a可以觀察到低碳鋼基體表面平整度較高,只有少量拋光產生的劃痕在表面,該試樣命名為PS。圖1b-圖1f顯示了Fe-Al涂層的微觀形貌,可以觀察到Fe-Al涂層中均勻分布了許多典型的電火花沉積涂層的微觀結構特征,如微坑、微孔、熔珠和重熔區。這些涂層表面上的微觀特征是通過EDC沉積在低碳鋼基體試樣表面制備而成,具有典型的電火花加工表面特征[7]。隨著電流的增大,EDC沉積涂層表面微觀結構特征的尺寸和數量也隨之增加,這一結果表明了Fe-Al涂層微觀形貌將變得越來越復雜。

圖1 低碳鋼基體表面和Fe-Al涂層表面微觀形貌

通過表面粗糙度測量儀獲得Fe-Al涂層的表面粗糙度結果,見圖2。從圖2可以觀察到,低碳鋼基體試樣表面粗糙度指標Ra和Rz較小,與Fe-Al涂層表面粗糙度相差較大;而隨著沉積電流的增大,Fe-Al涂層表面粗糙度Ra和Rz也隨之增大,尤其在高電流參數下,Fe-Al涂層的Ra和Rz數值顯著增大。這一結果表明了Fe-Al涂層表面微觀結構特征的尺寸和數量隨著沉積電流的增大而增大,也驗證了圖1中觀察到的涂層表面微觀形貌變化趨勢,隨著沉積電流的增大,Fe-Al涂層表面形成的微觀結構特征尺寸和相應的深度也增加,這是因為在電火花沉積過程中,Fe-Al電極與基體表面形成放電現象,電弧在促使Fe-Al涂層形成的同時,還將沖擊Fe-Al涂層表面,形成典型的電火花加工形貌[8],并且隨著沉積電流的增大,產生的沖擊能量也增大,從而導致形成的電火花加工形貌特征顯著;同時,較大的沉積電流產生大的沖擊能量,使得Fe-Al涂層表面材料容易在大的沖擊能量作用下脫離涂層,因而形成深度較大的微坑,從而粗糙度指標Rz表現為在大沉積電流條件下,Rz數值顯著增大。

圖2 低碳鋼基體表面和Fe-Al涂層表面粗糙度Ra和Rz

2.2 微納結構Fe-Al涂層化學成分和相組成分析

涂層表面潤濕性與涂層表面化學特性有一定的相關性,有研究表明[9],涂層表面的氧化層或鈍化膜將影響涂層表面潤濕性能。為了進一步確認Fe-Al涂層的化學成分,Fe-Al涂層采用能譜儀檢測。Fe-Al涂層的化學成分見表2。

表2 微納結構Fe-Al涂層表面化學成分(%)

由表2可知,1#～5#試樣的Fe-Al涂層中均有Fe、Al、O元素,而僅有4#和5#試樣的Fe-Al涂層中含有C元素。涂層中的C元素來源于電火花加工液在沉積過程中受沉積電流高溫分解而形成的碳化物,O元素則是涂層表面鈍化的結果。隨著沉積電流的增大,Fe-Al涂層中C含量增大;而Fe、Al質量比則隨著沉積電流增大而降低,表明Fe-Al涂層中Al元素含量增大,這是因為大沉積電流條件下,Fe-Al電極中Al元素更容易轉移到基體表面形成具有穩定相結構的Fe-Al涂層。

為了進一步研究Fe-Al涂層中穩定相的組成,采用XRD對Fe-Al涂層進行檢測,檢測結果見圖3。從圖3可以觀察到,所有Fe-Al涂層XRD結果中不僅有Fe和Al的特征峰,還有典型的Fe3Al相特征峰,以及部分碳化物特征峰也出現在XRD檢測結果中,如Fe7C3和AlFe3C0.5相。這一結果表明在Fe-Al層中有Fe3Al相存在,這是因為Fe-Al電極在對基體表面放電過程中帶來的高溫和高壓[10,11],使得電極和基體之間的間隙形成類似燒結爐環境,促進Fe3Al相在涂層中形成。

圖3 低碳鋼基體表面和Fe-Al涂層XRD結果

2.3 微納結構Fe-Al涂層潤濕性能

Fe-Al涂層試樣的潤濕性評價通過試樣表面接觸角(CA)測試結果開展,測試結果如圖4所示。從圖4可以看觀察到,Fe-Al涂層試樣的表面接觸角的角度均大于90°,而光滑低碳鋼的表面接觸角則為23.26°,表明Fe-Al涂層表面呈現疏水性,光滑低碳鋼表面呈現親水性。此外,圖4顯示了隨著沉積電流的增大,Fe-Al涂層試樣的表面接觸角也隨之逐漸增大,但表面接觸角增幅在小沉積電流范圍時大,而大沉積電流范圍內時則減小;同時,當沉積電流達到12 A后,微納結構Fe-Al涂層表面接觸角數值趨于穩定。該結果表明,通過提高沉積電流增強微納結構Fe-Al涂層表面疏水性能的作用在小電流時顯著,而在大電流條件下該強化作用效果較小。

圖4 Fe-Al涂層表面接觸角和沉積電流變化趨勢

2.4 討論

根據以上分析結果,通過EDC工藝沉積制備的Fe-Al涂層呈現疏水性,可以認為Fe-Al涂層表面的微納結構影響了Fe-Al涂層表面潤濕性。通過增大沉積電流,使得沉積的 Fe-Al涂層表面形成大量的微坑、微孔、熔珠和重熔區等微納結構,這些微納結構的尺寸和數量隨著沉積電流的增大而增多。為了可定量描述Fe-Al涂層表面微納結構特征,通過表面粗糙度指標Ra和Rz來分別表征微納結構的輪廓變化程度,以及微納結構輪廓曲線中波峰和波谷的差異性,進而獲得Fe-Al涂層表面粗糙度與表面潤濕性能的相關性關系,見圖5。

圖5 Fe-Al涂層表面接觸角和沉積電流變化趨勢

由圖5可知,隨著沉積電流的增大,Fe-Al涂層試樣表面的粗糙度指標(Ra和Rz)和表面接觸角也隨之增大;在Ra和Rz數值較小的范圍內,Fe-Al涂層試樣表面接觸角快速增大,而隨著Ra和Rz增大到一定數值時,Fe-Al涂層試樣表面接觸角的增幅縮小。這是因為隨著沉積電流增大,電極與Fe-Al涂層表面之間的放電行為越激烈,高能電弧轟擊在已沉積形成的Fe-Al涂層表面上,使得涂層表面材料容易脫離涂層,形成更多的微孔、微坑和熔珠等微結構特征,從而使得涂層表面起伏輪廓逐漸復雜化,具體表現為Ra和Rz數值的增大;而在較高沉積電流作用下,高能電弧產生的高溫將繼續影響Fe-Al涂層,更多金屬熔體形成重熔區而覆蓋在原有的涂層表面,使得涂層表面輪廓起伏程度受到抑制,涂層表面粗糙度降低。根據Wenzel和Cassie-Baxter的潤濕模型[12],Fe-Al涂層試樣表面微納結構與去離子水液滴接觸后將存在兩種可能的情況,一種情況是去離子水液體進入涂層微納結構,另一種情況是去離子水液體受到微納結構中束縛空氣阻礙而無法進入。由于去離子水液滴接觸Fe-Al涂層表面的實際情況復雜,以上兩種潤濕狀態均可同時存在。在小沉積電流條件下,Fe-Al涂層表面微納結構中存在數量較多的微坑、微孔,去離子水液滴附著在涂層表面后,受微坑、微孔中束縛空氣的作用而呈現疏水狀態[13],出現了隨著電流增大,表面粗糙度快速增大,且涂層表面接觸角也迅速增大的現象;而隨著沉積電流的增大,部分微坑、微孔被重熔區覆蓋,同時大沉積電流促使熔珠在微納結構中形成,這種組合式的微納結構令涂層表面粗糙度繼續隨電流增大而增大,但表面粗糙度增幅有所減小,去離子水液滴在涂層表面受該微納結構影響而繼續呈現疏水性,而重熔區和熔珠令涂層微納結構中束縛空氣的數量減少[8],表現為涂層表面接觸角仍繼續增大,但角度增幅減小。

3 結論

電火花沉積涂層技術可實現具有微納結構Fe-Al涂層的制備,且通過調整沉積電流參數,調控Fe-Al涂層的表面接觸角,使其表現疏水性。隨著沉積電流的增大,微納結構Fe-Al涂層表面粗糙度Ra和Rz指標先快速增大,當沉積電流達到12 A后,涂層表面粗糙度增幅減小;同時,微納結構Fe-Al涂層的表面接觸角亦表現出同樣的變化趨勢,表明通過提高沉積電流增強微納結構Fe-Al涂層表面疏水性能的作用在小電流時顯著,而在大電流條件下該強化作用效果較小。