工藝參數(shù)對大氣等離子噴涂 C276-Ni60 涂層性能的影響
摘要：本文采用大氣等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying, APS) 技術(shù)在基體 QT500 上制備 C276-Ni60 耐蝕防護(hù)涂層。基于正交實驗方法研究了 APS 工藝參數(shù)主氣流量、噴涂功率和槍距對 C276-Ni60 涂層結(jié)合強度、孔隙率和顯微硬度的影響，應(yīng)用極差和方差方法分析實驗結(jié)果，并觀察分析涂層的微觀組織和物相組成，得到了優(yōu)化的工藝數(shù)， 測量 QT500 基體和工藝優(yōu)化后 C276-Ni60 涂層的電化學(xué)性能。實驗結(jié)果表明，APS工藝參數(shù)對涂層綜合評分的影響主次順序為：槍距 - 功率 - 主氣。最優(yōu)的工藝參數(shù)為：主氣為 35 L/min、功率為 33 kW、槍距為 100 mm。C276-Ni60 涂層的主要物相為 γ 相的 Ni-Cr-Co-Mo，涂層的耐蝕性能優(yōu)于基體。
關(guān)鍵詞：大氣等離子噴涂；C276-Ni60 涂層；正交試驗；工藝參數(shù)；
引言
本文通過 C276 合金和 Ni60 自熔合金粉末的成分設(shè)計，利用 APS 技術(shù)制備 C276-Ni60 涂層，通過極差和方差法對 APS 主要工藝參數(shù)主氣、功率和槍距進(jìn)行優(yōu)化， 得出三因素對涂層性能影響的主次順序以及優(yōu)化的工藝方案。同時，利用電化學(xué)實驗測量 QT500 基體和優(yōu)化后噴涂工藝參數(shù)制備的 C276-Ni60 涂層在中性溶液 100 mlH2O+3.5 g NaCl 中的極化曲線以及阻抗圖譜，對比分析涂層的耐蝕性能。
實驗材料和方法
圖 1 粉末的微觀組織結(jié)構(gòu)：(a) 低倍；(b) 高倍
1實驗方法
試樣基材為球墨鑄鐵 QT500，試樣尺寸為 15mm× 15 mm× 5 mm，首先用丙酮除油，進(jìn)行超聲波清洗，再經(jīng)過60 目的棕剛玉進(jìn)行噴砂處理，壓縮空氣壓力為 0.6~0.8 MPa。大氣等離子噴涂設(shè)備使用的是北京航天振邦精密機械有限公司的 ZB-80X 噴涂系統(tǒng)，噴槍型號為 F4 型。
表 3 等離子噴涂正交實驗表
1組織和性能表征
涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)通過型號為 JSM-6510LV的掃描電子顯微鏡來觀察和分析。利用 HV-1000顯微硬度計測量涂層的硬度，其測量載荷為 200gf，加載時間為 15 s，每組樣品在不同的位置上測試 12 次，取平均值進(jìn)行分析。按照 GB/T 8642-2002 制備 φ 25× 50 mm 的拉伸試樣，利用 WDW-50 萬能試驗機測量涂層的結(jié)合強度，拉伸速度為2 mm/min，記錄拉伸試樣斷裂時的最大結(jié)合強度，實驗測試兩次然后取平均值進(jìn)行分析。涂層的孔隙率利用在掃描電子顯微鏡 500 倍下截取的 10張圖像，通過 Image J 圖像分析軟件來計算出每張圖像的孔隙率，取平均值進(jìn)行分析。C276-Ni60涂層和基體 QT500 的耐蝕性通過 CHI660E 工作站在 3.5 g NaCl+100 ml H2O 腐蝕液中測量的極化曲線、阻抗譜以及擬合的數(shù)據(jù)來表征。
實驗結(jié)果和分析
2.粉末和涂層的物相分析
C276-Ni60 粉末和涂層的 XRD 圖譜如圖 2 所示， 結(jié)合表 1 和表 2 噴涂粉末的成分可以表明，C276-Ni60 粉末和涂層的主要物相為 γ 相的 Ni-Cr-Co-Mo， 這表明等離子焰流的溫度并沒有明顯改變 C276-Ni60 粉末的相組成。涂層和粉末實際都是以鎳基為主的 γ 相，這可能是由于噴涂的合金粉末中 Ni60 占比較低，未檢測到明顯的不同相。同時噴涂的粉末中擁有含量較高的 Cr 和 Mo 元素，因此主要物相為 γ 相的鎳基合金的涂層抗腐蝕性較強。
圖 2 涂層的 XRD 圖譜
2涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)
9 種不同 APS 工藝參數(shù)制備的 C276-Ni60 涂層微觀組織結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。從圖 3 中可以看出，基體和涂層結(jié)合的結(jié)合面處形成的是不規(guī)則的交錯咬合，其結(jié)合方式為機械結(jié)合。此外，涂層中還存在著少量不同大小、形狀的孔洞及未熔粉末顆粒。
圖 3 涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)：(a) X1Y1Z1; (b) X1Y2Z2; (c) X1Y3Z3; (d) X2Y1Z3; (e) X2Y2Z3; (f) X2Y3Z1; (g) X3Y1Z3; (h) X3Y2Z1; (i) X3Y3Z2
2涂層的孔隙率
正交實驗制備的涂層孔隙率及其標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示，5號工藝涂層的孔隙率最大，數(shù)值為3.28%；7 號工藝涂層的孔隙率最小，數(shù)值為 2.12%。
表 4 正交實驗的孔隙率極差分析結(jié)果
2正交實驗分析
影響涂層質(zhì)量的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括結(jié)合強度和顯微硬度。表 5 為不同工藝 C276-Ni60 涂層的結(jié)合強度和顯微硬度，采用極差法來分析，涂層的力學(xué)性能通過計算綜合加權(quán)評分的方法來評價。根據(jù)極差的大小，可以判斷出各個因素對涂層力學(xué)性能影響的主次順序，極差越大，則說明該因素對性能的影響越大。另根據(jù)方差法可以定量分析各個因素對涂層質(zhì)量的影響程度，彌補直觀分析的不足，并通過 F 值來檢驗。
綜合加權(quán)平均公式如下：
式中：aij 代表加權(quán)系數(shù)，表示各項指標(biāo)在加權(quán)評分中所占的比重，bij 代表試驗指標(biāo)值，下標(biāo) i、j 表示第 i 組試驗的第 j 個指標(biāo)值。
兩個力學(xué)性能指標(biāo)的變化范圍 Kj( 最大值與最小值的差） 為：
K1=77.5-51=26.5 MPa，K2=524.5-385.7= 138.8 HV0.2
其中：K1 表示結(jié)合強度，最大值 77.5 MPa是 8 號工藝的結(jié)合強度，最小值 51 MPa 是 4 號工藝的結(jié)合強度。K2 表示顯微硬度，最大值 524.5HV0.2 是 6 號工藝的顯微硬度，385.7 HV0.2 是 9 號工藝的顯微硬度。
設(shè)定涂層力學(xué)性能的綜合評分滿分 100 分，其中結(jié)合強度和顯微硬度各 50 分。加權(quán)系數(shù) ai1和 bi2 計算分別為：
ai1=50/K1=50/26.5=1.89，bi2= 50/K2= 50/138.8=0.36
因此綜合評分 Yi 的計算公式為：Yi=1.89×bi1+ 0.36× bi2。經(jīng)計算所得綜合評分以及極差分析結(jié)果如表 5 所示，方差分析結(jié)果見表 6。
分析表 4 中的極差分析結(jié)果可以知道，APS工藝參數(shù)對涂層孔隙率的影響順序為主氣 - 槍距 -功率。其中，主氣對孔隙率的影響最大，槍距次之，功率的影響最小。
分析表 5 中各個參考指標(biāo)以及綜合評分的極差結(jié)果可以知道：大氣等離子噴涂工藝參數(shù)主氣、功率和槍距對結(jié)合強度影響的主次順序為功率 -主氣 - 槍距；對顯微硬度影響的主次順序為槍距 -功率 - 主氣；對綜合評分影響的主次順序為槍距 -功率 - 主氣。因此，噴涂的槍距對涂層綜合評分的影響最大，功率次之，主氣的影響最小。
表 5 正交實驗極差分析結(jié)果
表 6 正交實驗方差分析結(jié)果
隨著槍距的的增大，涂層的孔隙率和綜合力學(xué)性能評分均先減小后增大。槍距主要影響加熱到熔融狀態(tài)下的粉末顆粒噴濺到基體表面形成涂層這個過程的時間、噴濺速度和最后熔融顆粒的冷卻過程。當(dāng)槍距相對較大時，粉末顆粒噴濺到基體表面的溫度和速度都會相應(yīng)降低，導(dǎo)致部分粉末顆粒無法沉積，導(dǎo)致孔隙率相對增大，如5 號工藝，槍距增大到 140 mm 時，孔隙率也增加到最大 3.28 %，這一點和圖 3(e) 的涂層微觀組織相互驗證。而當(dāng)槍距相對較小時，粉末顆粒噴濺到基體表面的溫度和速度都會相應(yīng)升高，導(dǎo)致涂層各個疊層之間粘結(jié)不良，孔隙率增大，如 6號工藝，槍距減小到 100 mm 時，孔隙率為 2.55%。
隨著噴涂功率的增大，涂層的孔隙率和綜合力學(xué)性能評分先增大后減小。適當(dāng)增大噴涂功率，等離子射流溫度也會隨之增大，從而使噴涂粉末顆粒熔化的更充分。噴涂功率過大，則等離子射流溫度過高，粉末顆粒會嚴(yán)重過熱，不利于涂層疊層以及和基體之間的粘結(jié)，從噴涂功率為 36kW 的圖 3 (f) 中可以看到，涂層和基體的結(jié)合面處較為粗糙，相對其它噴涂功率小的涂層，結(jié)合的也不嚴(yán)密，從而導(dǎo)致涂層孔隙率增大，如 6 號工藝的功率增大到 36 kW 時，孔隙率為 2.55%。同時，工件過熱嚴(yán)重，會導(dǎo)致涂層和基體之間的結(jié)合強度降低，從 9 號工藝的微觀組織圖 3(i) 可以看到涂層和基體之間有較為明顯的分界線，其功率增大到 36 kW 時，涂層的力學(xué)性能綜合評分最低，僅為 244.7。而噴涂功率相對較小時，則等離子射流溫度相應(yīng)降低，粉末顆粒不能充分熔化，其涂層的微觀組織中還包含部分未融的粉末顆粒，導(dǎo)致涂層的沉積效率降低， 孔隙率相應(yīng)增大，如1 號工藝，功率減小到 30 kW 時，孔隙率相應(yīng)增大到 2.41%。
隨著主氣的增大，涂層的孔隙率先增大后減小，綜合力學(xué)性能評分先減小后增大。主氣流量主要影響等離子射流的溫度和流速，從而影響涂層的力學(xué)性能和孔隙率。增大主氣流量，等離子射流的溫度降低，流速升高，粉末顆粒在等離子射流中停留時間比較短，顆粒熔化不充分，從而導(dǎo)致涂層的綜合力學(xué)性能降低，孔隙率升高。如 2 號工藝：主氣流量為 35 L/min，孔隙率為 2.17%，力學(xué)性能綜合評分為 282.6；5 號工藝：主氣流量為 40 L/min，孔隙率為 3.28 %，力學(xué)性能綜合評分為 268.9。由此可見，主氣從 35 L/min 增大 40 L/min 時，涂層孔隙率升高，綜合力學(xué)性能降低。
2.5.1 涂層和基體的極化曲線
圖 4 是在室溫條件下測量優(yōu)化后工藝參數(shù)制備的 C276-Ni60 涂層和 QT500 基體得出的極化曲線，涂層和基體的腐蝕電流密度以及腐蝕電位通過對極化曲線進(jìn)行擬合和計算得出，如表 7 所示。觀察圖 4 中涂層的極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在陽極區(qū)大致區(qū)間 -0.54 至 -0.4 內(nèi)，隨著電位增大，電流密度也隨之快速增大；在 -0.4 至 0.1 這個區(qū)間里面，電流密度隨著電壓的增大也有所增大，但是變化十分緩慢，即鈍化區(qū)域。鈍化區(qū)域是因為在電化學(xué)腐蝕過程中試樣表面產(chǎn)生了鈍化膜，該涂層是由 C276 和 Ni60 機械混合粉末制備的，C276 和 Ni60 涂層中 Cr 的含量均比較高，達(dá)到了 15%~17%，因此有助于在涂層表面生成致密的Cr2O3 鈍化膜，從而保護(hù)試樣不被腐蝕。當(dāng)電壓大于 0.1V 時，鈍化膜被擊穿，因此電流密度繼續(xù)隨之快速增大。同樣，對比觀察基體的極化曲線可以知道，其陽極區(qū)電流密度隨著電位的增大快速變化，沒有產(chǎn)生鈍化區(qū)間，即在基體表面沒有產(chǎn)生鈍化膜，無法保護(hù)基體表面。極化曲線得出的腐蝕電流密度反應(yīng)的是腐蝕的快慢，腐蝕電位代表的是反應(yīng)的一個趨勢，表 7 中 C276-Ni60 涂層的腐蝕電流密度要小于基體，同時腐蝕電位要高于基體，因此可以說明 C276-Ni60 涂層在 3.5 g NaCl+100 ml H2O 腐蝕液的耐蝕性能要優(yōu)于基體。
圖 4 涂層和基體的極化曲線
表 7 涂層和基體的腐蝕數(shù)據(jù)
2.5.2 涂層和基體的阻抗譜
表 8 阻抗譜擬合數(shù)據(jù)
結(jié)論
（1）C276-Ni60 粉末和等離子噴涂涂層的主要物相為 γ 相的 Ni-Cr-Co-Mo，涂層和基體之間的結(jié)合方式為機械結(jié)合。
（2）大氣等離子噴涂工藝參數(shù)主氣、功率和槍距對涂層孔隙率的影響順序為主氣 - 槍距 - 功率，隨著主氣的增大，涂層的孔隙率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；對綜合力學(xué)性能評分影響的主次順序為槍距 - 功率 - 主氣，隨著槍距的增大，涂層的綜合力學(xué)性能呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。優(yōu)化后的 APS 工藝參數(shù)為槍距 100 mm，功率 33 kW，主氣 35 L/min。