鎂合金表面熱噴涂WC-10Co-4Cr粒子沉積及分布特性

方敏, 蔣理帥祎, 劉富強 , 張治民

(1.中北大學材料科學與工程學院, 太原 030051; 2.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司, 三原 713801)

鎂合金由于高比強度、高比剛度、低密度等優點,被廣泛應用在航天、汽車、電子等行業[1-2]。但是鎂合金的低硬度、低耐磨性、低耐蝕性[3-4],制約了鎂合金構件在復雜工況下的應用?；钚愿咚倏諝馊剂蠠釃娡考夹g(activated combustion-high velocity air fuel,AC-HVAF)是介于傳統超音速火焰噴涂和冷噴涂之間的新噴涂工藝[5-7],由于燃料分子在陶瓷板的催化介質的作用下被活化,這促進燃燒在相對較低的溫度和較寬的氣體壓力條件下穩定進行,從而實現粉末材料熱退化程度低、涂層氧化物含量少,其制備的涂層表現出卓越的耐磨性及耐腐蝕性[7-8]。并且,AC-HVAF還具有沉積效率高和對基體的熱影響小等優點,故該工藝已成為未來制備鎂合金輕質構件抗磨耐蝕涂層的最有前景技術之一[9]。

目前,通過AC-HVAF制備鎂合金表面各種保護涂層的研究發展十分迅速[10-12],但仍有眾多的實際問題需要解決。如AC-HVAF射流過程中,AC-HVAF超音速射流中分布著各種狀態的粒子(如速度不一致、受熱狀態不一致等),當具有不同狀態的粒子撞擊零件表面后,導致了不同的沉積形貌,也對涂層性能造成了不可預知的影響[13-14]。但是,粒子由于高速高溫狀態無法有效地實時監測,獲得AC-HVAF粒子射流模型主要集中在計算機有限元模擬方面[15-16],相關的實驗研究少之又少。

通過AC-HVAF離散沉積薄層WC-10Co-4Cr涂層,探討了沉積后各種形貌的種類、形成原因、結合機制,并通過分析徑向和軸向的沉積粒子形貌分布建立射流中的粒子分布模型,為噴涂工藝優化提供重要參考。

1 實驗

1.1 實驗過程

1.1.1 離散沉積實驗

通過離散沉積的方式獲得噴涂過程中極短時間內所沉積的粒子,從而得到可以分辨的單一噴涂粒子,分析撞擊基體后粒子的不同沉積狀態、形成原因及其在涂層形成過程中發揮的作用。

噴槍軸心以90°角正對長方體試樣。參考實際噴涂過程中噴槍移動方式,噴槍向下掃動,以便更真實地了解WC-10Co-4Cr粒子的射流過程。噴涂距離為180 mm,噴槍下移速度是1 500 mm/s,粉筒送粉電機轉速為0.4 r/min,僅噴涂一個道次,得到離散的薄層噴涂粒子。

1.1.2 徑向分布實驗

將離散沉積試驗所獲得的試樣,在掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)下拍攝延試樣長度方向上的表面微觀形貌,并通過Photoshop軟件將獲得的圖片拼合成整體長圖,控制拼合誤差小于50個像素點。使用ImageJ軟件統計分析粒子在垂直于噴槍移動方向上的分布狀態。

1.1.3 軸向分布實驗

分別在噴距20、100、180、260 mm處沉積WC-10Co-4Cr涂層。圖1為軸向和徑向試驗示意圖。

圖1 軸向徑向實驗示意圖

1.2 樣品制備

以AZ80鎂合金為基體材料,其化學成分如表1所示,切割成10 mm×10 mm×40 mm長方體試樣。先對其表面(10 mm×40 mm)進行打磨拋光,超聲波清洗以去除表面油污等雜質,清洗時間為10 min。然后,采用AC-HVAF(Kermetico Inc,美國)工藝在拋光過的試樣表面上沉積WC-10Co-4Cr復合陶瓷顆粒。噴涂所用粉末是WC-10Co-4Cr(T61M150, ACHTECK,中國)。圖2為原始粉末微觀形貌,可以看出,該噴涂粉末由大量尺寸不一致的球形WC-10Co-4Cr顆粒所構成,粉末粒徑統計如圖3所示。噴涂氣體壓力參數如表2所示。

表1 AZ80鎂合金化學成分Table 1 Chemical composition of AZ80 magnesium alloy

表2 噴涂氣體壓力參數Table 2 Pressure parameters of spraying gas

圖2 原始粉末微觀形貌

圖3 粒徑統計

1.3 表征與統計方法

采用SEM(日立SU5000, 日本)來觀察表面和截面形貌。使用金相切割機延長度方向切割試樣,并對其拋光處理,結合能譜分析(energy dispersive spectrometer,EDS)測定顆粒與基體界面處的成分狀態。為了消除沉積先后順序對顆粒徑向分布的影響,在SEM拍攝區域中取70 μm×40 000 μm的統計帶,沉積位置中心坐標未落入帶寬內不計為有效統計粒子。

2 結果與討論

2.1 不同沉積形貌分析

圖4(a)為噴涂距離為180 mm的離散沉積實驗的試樣表面形貌,可觀察到試樣表面存在大量的嵌入型粒子和少量的破碎型沉積粒子及黑色空腔。其中,嵌入型沉積微觀形貌,如圖4(b)所示,球形粉末顆粒完整或稍有變形地嵌入撞擊坑內,形成有效附著;破碎型如圖4(c)所示,球形粉末顆粒在撞擊基材過程中破碎致使顆粒部分附著在撞擊坑中;空腔型如圖4(d)所示,基材表面上只保留撞擊引起的高亮圓形坑緣,坑內表面光滑無粉末顆粒。前者(嵌入型)被認為是速度在有效范圍內且受熱均勻的[15-16]。后兩者中,空腔的形成則是由于粒子速度過大,致使回彈力增大;破碎型粒子被認為是受熱不充分的粉末顆粒撞擊基體后殘留所形成的[17];它們撞擊基體后,對后續粒子附著起到阻礙作用,一旦更大尺寸的顆粒撞擊在同一位置,會有極大可能在涂層/基體界面處形成氣孔[18],并且其無效或部分有效的附著狀態是導致沉積效率的降低的主要原因。

圖4 噴涂后試樣表面與3種典型沉積形貌

圖5(a)～圖5(c)分別為嵌入型、破碎型沉積粒子與空腔剖面形貌。嵌入型粒子整個顆粒較為完整且稍有變形地鑲嵌在基體中,而破碎型粒子破碎成數個部分,并且未在撞擊坑內完全鋪展。圖5(f)為空腔截面EDS線掃結果,可以看出,W、Co、Cr元素在沉積坑內部無殘留,表明空腔型沉積狀態下噴涂顆粒完全被基材反彈,無法形成有效結合。對于嵌入型和破碎型粒子[圖5(d)、圖5(e)],顆粒/基材界面處Mg元素含量的急劇下降、W元素含量的急劇升高,并沒有發現明顯的金屬互化物生成現象,表明WC-10Co-4Cr顆粒與AZ80鎂合金基材的結合方式為物理結合或稱機械咬合。結合統計結果,嵌入型粒子占比為79.9%、破碎型占比為12.63%,表明嵌入型沉積粒子為主要部分。綜上所述,AC-HVAF實際上是一種以物理嵌入沉積為主,多形態混合沉積的涂層制備技術。

1、2分別為EDS線掃起始點和終止點;K、L為特征X射線的線系;CPS為掃描電鏡計數率,即每秒采集到的信號數

2.2 射流中粒子的空間分布

2.2.1 徑向分布

如圖6所示,為粒子射流不同徑向位置所對應的試樣表面形貌,分別對應徑向位置為射流中心區域(0 mm)、射流過渡區域(3 mm)和射流邊緣區域(6 mm)?？梢钥闯?射流中心(0 mm)至射流邊緣區域(6 mm)均發現3種典型的沉積粒子形態,并且隨著徑向距離的增大噴涂粒子數量逐漸減少,屬于典型的粒子射流狀態[16]。圖7為3種沉積狀態的粒子徑向位置統計結果,可以看出,各沉積形式都符合正態規律,但是空腔更趨向在射流邊緣區域形成,表明形成空腔型沉積的粒子更易受到橫向焰流的影響,從而更易分布在射流邊緣;對于破碎型粒子,其更易傾向在射流中心形成。

圖6 不同徑向位置試樣表面微觀形貌

圖7 徑向上粒子沉積狀態統計

粒徑尺寸作為射流中粒子狀態的重要影響因素[19],利用粒子沉積坑直徑來直觀反應粒子尺寸。圖8為沉積坑直徑的統計結果,可以明顯看出,破碎型曲線的峰值點向右偏離其他兩型,表明尺寸較大(≥15 μm)的粒子更易形成破碎型沉積;并且空腔型峰值點向左偏移其他兩型,表明尺寸較小的粒子(≤10 μm)更易形成沉積空腔,從而無法形成有效沉積。

圖8 徑向上沉積坑尺寸統計

綜上所述,AC-HVAF射流中粒子數量延徑向方向逐漸減少,符合傳統粒子射流模型;粒徑越大越不易受到橫向焰流的影響,從而集中在射流中心區域沉積,同時粒子尺寸會影響沉積的有效性。

2.2.2 軸向分布

圖9為不同軸向距離下的總沉積粒子的統計結果?？梢钥闯?不同噴距下沉積的顆粒均集中在射流中心區域;對比高斯曲線的半峰寬w,隨著噴涂距離的增加,半峰寬逐漸增大,粒子射流的徑向寬度逐漸增大,表明整體射流為沿軸向發散的錐筒形。由于沉積粒子主要集中在曲線半峰寬內,因此可以利用w確定不同噴涂距離下的噴槍步進距離,為噴涂步進距離的確定提供了一種新的方法。

圖9 不同軸向距離下沉積粒子統計

圖10為100、180、260 mm噴距下各沉積狀態占比?？梢钥闯?不同噴距下形成的有效沉積,均以嵌入型為主,并且占比相差不超過3%,表明實際噴涂作業條件下,噴涂距離對于嵌入型沉積狀態的影響甚小,這也解釋了噴涂距離的改變為何無法有效提高涂層/基體結合強度[20-21]。對于其他兩型的差異,可能是由于射流過程中粒子溫度、速度的瞬時變化所引起的[16-17]。

圖10 不同噴涂距離下各沉積狀態統計

2.3 射流中粒子分布模型

綜上,AC-HVAF實際上是一個以物理嵌入為主、多形態混合沉積的涂層制備技術,且有效沉積粒子主要分布于射流中心,而未附著粒子多位于射流邊緣,粒徑尺寸是影響沉積形貌的主要原因,由此可見,射流中粒子的分布模型如圖11所示。

圖11 射流中粒子分布狀態

尺寸不一的粉末粒子通過送粉針軸向進入燃燒室內,在載氣和射流的作用下逐漸分散。在超音速的噴槍焰流作用下,粒子的徑向分布寬度隨噴涂距離的增大而不斷變寬,但噴涂粉末依然集中在射流中心附近,即半峰寬w內。不同尺寸的粒子受到橫向焰流的影響效果不一致,從而導致不同的徑向位置分布,當粒子的尺寸較小時,所具有的質量越小,慣性也就越小,更易受到橫向焰流的影響,從而導致粒子更易向徑向偏移,從而在射流邊緣區域形成空腔型沉積;反之,尺寸較大的粉末粒子則可能獲得更小的徑向偏移量,近似垂直撞擊試樣表面,但是由于尺寸較大的粒子存在受熱不均勻的現象[15],有可能形成破碎型沉積,只有尺寸大小適中的粒子才可能形成更多嵌入型沉積。

3 結論

基于鎂合金表面WC-10Co-4Cr粒子單一粒子沉積狀態,通過對噴涂距離以及粒子直徑對沉積狀態的影響討論,形成了不同狀態下沉積形貌的統計結果,由此建立了AC-HVAF的粒子射流模型。得出如下主要結論。

(1)鎂合金表面WC-10Co-4Cr顆粒沉積后存在3種最基本的沉積形式：嵌入型、破碎型以及撞擊空腔。其中有效沉積形式為嵌入型、破碎型,粒子與基材的結合方式為物理結合或稱機械咬合。

(2)WC-10Co-4Cr顆粒的直徑對于沉積狀態有明顯的影響,顆粒尺寸較大(≥15 μm)時易形成破碎型沉積;小直徑顆粒(≤10 μm)在撞擊試樣表面后易形成空腔;形成有效沉積的粒子尺寸主要集中于10～20 μm。

(3)噴涂距離主要影響粒子射流的發散狀態,隨著距離的增大,顆粒分布的有效范圍(擬合曲線的半峰寬w)逐漸增大。在有效的工作范圍內,噴涂距離對于粒子的沉積狀態影響不大,但是較大的半峰寬有利于提高涂層的表面質量。