激光熔覆納米al

激光熔覆納米al

涂層技術(shù)和材料表面變化技術(shù)是科學(xué)研究的重要分支。納米材料由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能,為涂層材料性能的提高提供了有利的條件。將納米粉體與表面涂層技術(shù)相結(jié)合,制備含有納米粉體的表面復(fù)合涂層,可使基體表面的力學(xué)、物理和化學(xué)性能得到改變,賦予基體表面新的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和催化敏感等功能,達(dá)到材料表面改性與功能化相結(jié)合的目的。一般來說,凡是傳統(tǒng)的表面涂層技術(shù),都可以用于(或者稍加改造)實(shí)現(xiàn)納米材料復(fù)合涂層。所以,制造納米涂層的方法很多,主要包括各類沉積(含氣相沉積和液相沉積)、噴涂(含常溫噴涂、火焰噴涂、等離子噴涂等)和鍍覆等多種方法。利用這些涂層技術(shù),針對(duì)涂層的性能,添加納米材料,都可以獲得納米復(fù)合體系涂層。其中激光熔覆技術(shù)屬于近年來發(fā)展起來的的第二代表面技術(shù),其將激光技術(shù)和熱噴涂技術(shù)進(jìn)行復(fù)合,使本體材料的表面具有更加卓越的性能,為陶瓷材料的應(yīng)用開辟了一條新的途徑。而納米材料的激光熔覆則又體現(xiàn)了納米材料與激光熔覆技術(shù)的進(jìn)一步復(fù)合,該技術(shù)的成功使用無疑可將金屬材料的高強(qiáng)韌性、良好的工藝加工性與納米陶瓷材料的優(yōu)異性能有機(jī)地結(jié)合起來,從而達(dá)到顯著改善工件表面耐磨、耐蝕、耐熱等性能的目的。本項(xiàng)目的前期研究表明,激光加工過程中加熱和冷卻速度極快,在一定的工藝參數(shù)范圍內(nèi),納米陶瓷顆粒來不及長大,仍然保持在納米尺度,可得到高性能的納米改性陶瓷涂層?；诖?作者首先利用等離子噴涂方法獲得Al2O3+13%TiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合陶瓷涂層,待鋪上納米Al2O3后,再進(jìn)行激光熔覆,使納米Al2O3滲入原復(fù)合陶瓷涂層。對(duì)原等離子噴涂層,納米改性涂層兩種涂層的微觀組織、硬度和耐磨性進(jìn)行了比較分析。1復(fù)合涂層的制備及測(cè)試1.1實(shí)驗(yàn)材料采用45#鋼為基體材料,試樣尺寸為30mm×20mm×10mm,粗顆粒粉末材料Al2O3+13%TiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粒度均為40~100μm,NiCrAl粉末材料粒度為35~105μm;納米Al2O3材料粒度為50nm左右。1.2涂層制備工藝和設(shè)備采用等離子噴涂預(yù)制NiCrAl及Al2O3+TiO2涂層。噴涂前試件經(jīng)除油、噴砂和預(yù)熱處理。等離子噴涂工藝參數(shù)見表1,其中NiCrAl涂層厚度控制在100μm以下,Al2O3/TiO2陶瓷涂層厚度為100~800μm,一次噴涂厚度不超過200μm。借助專門設(shè)計(jì)的鋪粉裝置,將納米Al2O3粉末鋪設(shè)在已形成的Al2O3/TiO2陶瓷層上,利用NEL2.5kW快速軸流CO2激光器進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)功率為100~200W,掃描速度1~1.8m/min,光斑直徑1mm,氬氣保護(hù)。1.3分析及測(cè)試手段采用JSM6300、LEO1530VP等型號(hào)掃描電鏡,D/MAX-RA型X轉(zhuǎn)靶射線衍射儀進(jìn)行涂層結(jié)構(gòu)及相分析;磨損性能測(cè)試在MM200摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,對(duì)磨輪材料為GCr15,尺寸為d40mm(外園)×d16mm(內(nèi)孔)×10mm(厚度),轉(zhuǎn)速400r/min,外加載荷100N,干摩擦。測(cè)試中使用B3200S型超聲波清洗機(jī)清洗試樣,并用精度為0.1mg的電子天平測(cè)量質(zhì)量。另外測(cè)量試樣的顯微硬度,載荷為1N。2結(jié)果與分析2.1復(fù)合陶瓷涂層的表征圖1所示是等離子噴涂陶瓷涂層(TC-1)的剖面組織形貌,從上至下依次為Al2O3+13%TiO2陶瓷層,NiCrAl中間粘結(jié)層及金屬基體。Al2O3+TiO2陶瓷層形貌呈層狀堆積,由能譜分析可知,其中白色的組織是Al2O3,灰黑色組織是Al2O3和TiO2的互熔組織。這是由于TiO2的熔點(diǎn)(1845℃)較Al2O3的熔點(diǎn)(2015℃)低,在噴涂過程中TiO2粉末的熔化程度比Al2O3的大,熔化的TiO2和Al2O3形成了一定程度的互溶。互溶現(xiàn)象的產(chǎn)生將有助于涂層中各片層間結(jié)合強(qiáng)度和涂層致密度的提高,并將進(jìn)一步提高涂層的硬度和耐磨性能。同時(shí)可以看出,Al2O3/TiO2陶瓷層與NiCrAl粘結(jié)底層,以及NiCrAl粘結(jié)底層與基體形成了良好的機(jī)械結(jié)合界面,可有效緩解Al2O3/TiO2復(fù)合陶瓷涂層與基材間因線膨脹系數(shù)的差異所產(chǎn)生的應(yīng)力,解決陶瓷材料噴涂層的應(yīng)力剝落現(xiàn)象。圖2所示是陶瓷涂層表面X射線衍射譜,表明TC-1陶瓷層由α-Al2O3,TiO2,Al2TiO5及少量的γ-Al2O3組成。由于Al2O3顆粒的熔點(diǎn)較高,在噴涂時(shí)除大部分熔化呈扁平狀外,涂層中尚存在較多未融化的顆粒狀A(yù)l2O3,造成涂層密度低,存在一些孔隙。由于NiCrAl的熔點(diǎn)較低,在噴涂的過程中基本上全部熔化,熔融的粒子撞擊基體表面后展平成薄片并瞬間冷卻凝固,在沖擊力作用下呈扁平狀逐層疊加在一起,從而形成圖1所示的片層狀組織,在NiCrAl層與金屬基體之間存在一層黑色片狀及顆粒組織(見圖3),經(jīng)過能譜分析可知是NiCrAl在等離子噴涂過程中熔融粒子形成的氧化膜,主要是Fe和Ni的氧化物。2.2納米涂層的成分及分布鋪設(shè)納米Al2O3粉末并經(jīng)激光熔覆處理后的陶瓷層(TC-2)的低倍SEM形貌如圖4所示。從上至下依次為陶瓷層、NiCrAl層和金屬基體。伴隨著激光作用及納米Al2O3的滲入,激光作用區(qū)的組織與原等離子噴涂層相比,晶粒更細(xì)化,涂層組織更加致密,疏松孔洞明顯減少,層狀堆集特征得以消除,顆粒以球狀、片狀、多邊形為主。這是激光重熔和納米陶瓷材料雙重作用的效果。涂層表面XRD分析結(jié)果(見圖5)表明,激光熔覆層由α-Al2O3和TiO2組成。這說明所形成的純納米涂層厚度較薄,沒有足夠的厚度,所以內(nèi)層出現(xiàn)TiO2相,但在激光作用下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的γ-Al2O3已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)的α-Al2O3。圖6(a)所示為TC-2表面的高倍SEM形貌像,反映了納米顆粒在多個(gè)粗顆粒表面的分布情況。從圖中明顯可見,每個(gè)粗顆粒表面布滿了納米顆粒,由于激光快速加熱、快速冷卻的加工特點(diǎn),使得涂層表面仍具有納米結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)顆粒分界處也布滿了納米顆粒,但粗顆粒的分界尚明顯可見,進(jìn)一步說明了純納米涂層厚度較薄,大約在5~10μm左右。圖6(b)所示為納米顆粒在單個(gè)粗顆粒表面分布情況的高倍SEM像。同時(shí),試樣縱截面的SEM形貌表明,納米Al2O3顆粒主要分布在粗顆粒表面以及填充在粗顆粒間。圖7所示為涂層縱截面上發(fā)生了斷裂的一個(gè)粗顆粒的形貌,同時(shí)也顯示了納米粒子在其表面分布的情況。由于試樣制備中經(jīng)過一系列粗、細(xì)磨及拋光過程,伴隨著縱截面的磨光,陶瓷粗顆粒必然存在或被磨平或脫落兩種狀態(tài)。一方面,表面的納米粒子隨著粗、細(xì)陶瓷顆粒的磨平而部分脫落;另一方面,粗顆粒間的納米粒子隨著相鄰粗顆粒的整體脫落,部分納米顆粒被帶走,未被帶走的納米顆粒仍停留在粗顆粒表面。很明顯,這些處于粗顆粒表面和粗顆粒之間的納米顆粒將降低孔隙率,增強(qiáng)粗顆粒之間的結(jié)合,在磨損過程中起阻止粗顆粒脫落的作用。2.3納米al2o3在涂層磨損狀態(tài)的影響Al2O3+TiO2陶瓷等離子噴涂層的硬度較低,為HV400~600,與單純Al2O3等離子噴涂層的硬度相比下降了許多。然而TiO2的加入雖造成了涂層硬度的下降,但使涂層密度得以提高,可改善涂層的脆性,提高其耐磨性。激光熔覆納米改性陶瓷層的硬度平均為HV1600,與TC-1等離子涂層相比有了很大提高。由于其硬度和致密度的提高,耐磨性將得到提高。研究納米Al2O3滲入后的磨損狀態(tài),分別取等離子噴涂陶瓷層(未經(jīng)激光重熔)、激光重熔等離子噴涂陶瓷層(不鋪納米粉末)、激光燒結(jié)Al2O3納米的等離子噴涂陶瓷層進(jìn)行對(duì)比,磨損曲線如圖8所示?？梢?其磨損質(zhì)量損失均隨著磨損時(shí)間的增加呈近似線性增加,但由于等離子噴涂層本身組織的不均勻、疏松及氣孔諸多缺陷存在,其磨損量最大,且隨時(shí)間的增加磨損量增加明顯;而滲入納米Al2O3后的涂層磨損量小,且趨勢(shì)比較平穩(wěn)。由于兼顧到納米顆粒的長大和對(duì)飛濺的控制,采用的激光功率小,單