摘 要：为了改进热喷涂层组织结构和结合性能，在不引起反应的条件下，将Ni-Al混合粉（93%Ni+7%Al）喷涂于A3钢基材表面，通过中温反应烧结处理，制备了具有良好结合性能的涂层试样，利用SEM和XRD研究了涂层烧结前后显微组织和相结构的变化。 结果表明：反应烧结前后涂层显微组织发生了明显变化，烧结后涂层所固有的层状结构消失；烧结时涂层中Al首先与Ni反应生成Ni2Al3，随处理温度增高而转化为NiAl3，基材界面出现冶金结合，并在界面愈合区间发现了Ni-Fe固溶体。
热喷涂层由于其层状结构的特点，涂层结合强度不高，在一些要求较高的零部件性能测试中会出现早期失效。 为了改进涂层显微结构和结合性能常采用自熔合金涂层重熔和激光重熔处理，但处理温度高，开裂倾向大，基材组织发生了相变[1，2]，在应用时有一定的限制。 文献[3]报道了原位合成Ni/Ni-Al复合层板材料的组织和性能，研究表明在中温条件下可利用Al热反应实现界面冶金愈合。 喷涂铝包镍粉末作底材在热喷涂领域有广泛应用，但反应在喷涂时就已发生，本研究的实质就是将粉末冶金学中的反应烧结概念和技术与热喷涂技术相结合，利用常规喷涂设备将Ni-Al混合粉材料在不引起Ni-Al反应的条件下喷涂于A3基材上，然后通过中温（720℃）反应烧结处理以改进涂层组织结构和结合性能。
1 实验材料及方法
1.1涂层制备
采用高纯雾化Al粉（180-240目），并在其表面包覆一层有机微膜，按Al对Ni的质量比为7%的比例与高纯镍粉（200-300目）混均，加入少量有机粘剂混合、烘干、破碎过150目筛作喷涂用料，采用常规氧-乙炔喷涂设备和工艺在A3钢基材上喷涂Ni-Al混合层1.2mm，然后在H2气氛下将试件加热至720℃保温5min以引发Ni-Al的反应烧结形成烧结涂层。
1.2 显微组织观察和相结构分析
在配有微区能谱分析的KYKY-2800扫描电镜上观察Ni-Al反应烧结层组织变化和元素分布，用CD-500射线衍射仪分析烧结前后相结构变化。
2 实验结果与分析讨论
2.1反应前后涂层显微组织的变化
图1（略）为反应烧结前后涂层显微组织照片。 由图1（a）可以看出， Ni-Al混合喷涂层具有明显的热喷涂层状结构特征，其中离散分布有大量片条状黑色相，经微区能谱分析认为这种黑色相为Al。 反应烧结后（780℃保温1h）涂层显微结构如图1（b）所示，喷涂层所固有的层状结构消失，片条状黑色相有团聚的趋势，经微区能谱分析初步判定为Ni-Al金属间化合物. 图1中界面上出现了明亮分界线，界面局部放大的显微组织如图2（略）所示，图2中界面附近ABCDEF6点微区元素含量测试结果如表1（略）所示。
由表1可知， 界面明亮分界线区间内Al含量较低，呈离散分布，即部分区间没有Al，部分区间Al含量高于7%的配比，初步估计明亮分界线是Ni、Al在Fe中的固溶体组成。
2.2反应前后相结构变化
图3（略）为Ni-Al混合喷涂层烧结前的X射线衍射图，图4（略）是不同方式烧结后的X射线衍射谱。由图3可知反应烧结前涂层由Ni Al相组成，没有Ni-Al化合物相，说明采用Al粉微膜包覆技术可有效防止喷涂Ni、Al 反应。 由图4（a）可知烧结后出现了Ni2Al3金属间化合物及部分未反应完全的Al，这主要是由于Ni-Al界面上首先反应生成了Ni2Al3，阻止了Al向Ni中的扩散，这样反应烧结时间太短就会有部分Al没有反应.随保温时间延长，烧结温度升高 ， 反 应 烧 结 产 物 主 要 以Ni和NiAl3组 成（图4(b)），这主要是由于在液相Al作用下，Ni2Al3溶入Al中形成富Al区而导致NiAl3形成。
2.3 讨论
由图1（a）可知反应烧结前Al呈条片状离散分布于涂层中，当升温至680℃由固相变为液相时，由于相变产生了体积膨胀效应，使得部分Al液占据涂层中的空隙，并与之相邻的Ni发生反应，首先生成Ni2Al3[3,5] ，这样涂层中原有的间隙就会在烧结时减少，同时，由于反应放热产生局部高温使Ni、Al扩散能力得到增强，Ni-Al涂层反应后层状结构趋于消失. 在基材界面区域内可能有如下几种反应：
Ni+Al= Ni2Al3 （1）
NiO+Al=Ni+Al2O3 （2）
Fe+Al=FeAl3 （3）
Fe3O4+Al=Fe+ Al2O3 （4）
由于金属间化合物的多样性，式（1）和式（3）还会存在多种反应形式，由热力学参数知，式（2）和式（4）自由能减少较大，液相Al在界面首先与氧化铁、氧化镍反应生成原子态Fe和Ni，并在界面高能区（如台阶、扭拆、空位、位错露头）凝聚结晶，形成固溶体，使界面呈现明亮分界线，涂层结合性能得到提高. 另一方面反应放热产生的局部高温而形成的热应力也可能产生焊合作用以利于涂层结合[6]。
3 结论
（1）反应烧结前Ni-Al中的Al呈条片状离散分布于涂层中，反应烧结后喷涂层所固有的层状结构消失；
（2）支撑反应烧结涂层结合的主要是Ni相及少量NiAl3，未见脆性界面出现。
参考文献：(略)
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
