超音速火焰喷涂硅酸盐玻璃涂层工艺研究
占 君，陈桂明，张 倩，查柏林，刘新年
材 料 科 学 与 工 艺
摘 要: 采用超音速火焰喷涂技术制备了硅酸盐玻璃涂层，通过扫描电镜、能谱、衍射和强度试验研究了涂层的组织特征、机械性能等. 研究表明，制备玻璃涂层的最佳工艺为: 粉末颗粒尺寸为 25 ～50 μm，氧气流量34 ～ 36 m3/ h，煤油流量 13 ～ 14 L / h，喷涂距离 25 cm; 涂层组织较致密，玻璃涂层厚度可达到 0. 5 mm 以上; 涂层基本呈非晶态，热喷涂后玻璃涂层冷却速度对涂层的析晶行为有一定影响; 涂层与基体之间的结合形式为机械结合，涂层的内聚强度约为 8 MPa，其拉伸断裂形式为宏观脆性断裂，涂层具有一定硬度和抗冲击性能.
关键词: 超音速火焰喷涂; 硅酸盐玻璃; 工艺; 强度
玻璃涂层的制备工艺关键在于玻璃涂层与基体的结合，本质在于: 1) 匹配玻璃和基体的热膨胀系数以及消除它们之间的残余应力; 2) 玻璃涂层制备过程中产生的析晶导致涂层性能产生变化. 目前，主要的制备工艺是热熔覆法和热喷涂法［1 －3］，通过与基体较好浸润的底釉来连接面釉和基体或喷涂多层涂层，实现涂层与基体的较好结合，但该类工艺操作相对复杂，釉料要求较高.超音速火焰喷涂( HVOF) 较普通喷涂具有焰流速度高和温度范围广( 分别为 1400 ～2200 m/s和 1400 ～2600 ℃) 的特点，可满足多种喷涂材料的要求，制备涂层结合强度高、孔隙率低、综合机械性能好［4］. 由于玻璃粉末密度小，熔点较高，在喷涂制备过程中对玻璃粒子速度和温度有较高要求，以保证粒子在基体顺利沉积，HVOF 为制备高性能玻璃涂层提供了可能. 本文制备了硅酸盐玻璃喷涂粉末，使用超音速火焰喷涂技术在碳钢基体上喷涂了硅酸盐玻璃涂层，对工艺影响和玻璃涂层性能进行了分析.
1 玻璃涂层制备
1. 1 玻璃粉末
玻璃粉体制备过程为配料→熔制→水淬→粉体制备. 设计玻璃粉末的组成为: SiO2: 60% ～62% ，B2O3: 10% ～ 12%，Na2O: 8% ，Li2O: 8% ，SrO: 3% ，CaO: 2% ，ZnO: 1% ，MgO: 1% ，TiO2:1% ，ZrO2: 1%，SnO2: 1%，BaO: 1%，Al2O3: 1%. 粉末外观呈白色. 玻璃粉末熔点约为 1200 ℃. 在300 ℃ 时，平均线膨胀系数为 95 × 10－ 7/ ℃ ，略小于金属基材，这对金属基材产生了一定压应力，有利于两者结合强度的提高.
图 1 为玻璃粉末的扫描电镜形貌，可以看到，粉末粒子的尺寸绝大部分不超过 50 μm，呈不规则多角状. 粉末颗粒的粒径比较平均，有利于喷涂中的送粉和粉末的均匀受热. 图2为玻璃粉末XRD谱，图中出现“漫散射”峰，表明该玻璃粉基本为非晶态结构的玻璃相.
通过能谱分析，粉末元素含量为( 质量分数/%) : O: 55. 90，Na: 2. 22，Al: 0. 66，Si: 24. 67，Ca: 2. 71，Ti: 1. 54，Zn: 3. 22，Zr: 1. 55，B: 1. 32，Sn:1. 22，Ba: 3. 00，Li: 1. 35，Sr: 0. 65，C: 3. 00( C 元素是玻璃原料中存在的) .
1. 2 涂层制备工艺
涂层制备基体为 45#钢，喷前经净化粗化处理. 喷砂粗化条件为: 磨料采用 20 目棕刚玉，喷砂距离为 100 mm，喷砂角度 45° ～ 60°，压缩空气压力 0. 6 ～0. 8 MPa. 喷涂设备为 HVO/AF 多功能超音速火焰喷涂. 所有涂层在制备前均使用超音速火焰对钢基体进行预热，加热温度控制在 500 ℃左右，使碳钢基体表面变为暗红色. 预热工艺参数为: 氧 气 流 量 22 ～ 24 m3/ h，煤 油 流 量 10 ～12 L / h，喷涂距离 20 cm. 玻璃涂层在制备完毕后可能会因为冷却过快而造成涂层炸裂和脱落，可在喷涂完毕后进行保温处理，将部分试样在放入烘箱( θ =500 ℃) 保温 30 min 后自然冷却至室温. 喷涂工艺如表 1 所示.
超音速火焰喷涂中，氧气和煤油流量越大，则燃烧室产生的热量和压力越大，火焰的温度和速度也提高，同时粒子的受热时间会相对减少. 粒子的速度是影响涂层质量的决定因素，故喷涂玻璃涂层需要选取恰当的氧气和煤油流量，既要玻璃粉末在焰流中吸收合适的热量，又要保证玻璃粒子速度［4］. 在喷涂颗粒为 50 ～ 75 μm 的粉末过程中，由于颗粒相对较大，需要将粉末熔化的热量更多. 当提高氧气和煤油流量后，高温高速火焰接触已形成的涂层会导致涂层过熔，且涂层中的物质可能发生反应; 在喷涂颗粒 25 ～ 50 μm 过程中，温度太低时，玻璃粉不能充分熔化，无法形成涂层，温度太高则难以形成平整的涂层，且涂层中的物质可能发生反应而使涂层产生泡沫和条纹. 喷涂工艺及效果如表 1 所示. 经比较，最佳喷涂工艺为: 粉末颗粒尺寸 25 ～ 50 μm，氧气流量 34 ～36 m3/ h，煤油流量 13 ～ 14 L / h，喷涂距离 25 cm.
2 试验结果与分析
2. 1 组织与成分
图 3 为涂层表面形貌，可以看到涂层表面呈粗糙态，涂层组织较为致密. 涂层中出现了部分直径为 5 ～10 μm 球状的粒子，说明在热喷涂过程中，玻璃粉被充分熔化雾化后在飞行过程中重新凝聚成小颗粒，在涂层表面形成球状说明颗粒有一定硬度.
对涂层表面进行能谱分析，各元素含量为( 质量分数/%) : O: 57. 90，Na: 2. 30，Al: 0. 58，Si:24. 67，Ca: 2. 71，Ti: 1. 54，Zn: 3. 22，Zr: 1. 55，B:1. 10，Sn: 1. 22，Ba: 3. 00，Li: 1. 35，Sr: 0. 87. 元素含量与玻璃粉末中的元素含量比较接近，但没有C 元素，其原因可能是粉末在喷涂熔化过程中发生了脱碳现象.
由图 4 可以观察到，采用表 1 中工艺 2 制备的涂层与基体互相渗透、润湿，大量的相互啮合，小玻璃颗粒以桥状或枝状伸入基体内部，界面形貌呈犬牙交错状，界面界线不是直线而是不规则的曲线. 这说明大量玻璃颗粒以数倍于音速的速度撞击到基体表面的氧化层，渗透到基体并有可能与基体发生理化化学反应. 涂层与基体的结合以机械结合为主，也可能存在冶金结合.
由于玻璃的内能比同组成的晶体高，所以玻璃处于介稳状态，在一定条件下存在着自发析出晶体的倾向［5］. 喷涂完的玻璃涂层在冷却过程中也会产生析晶现象，析出的晶体有可能影响涂层的各项性能. 如图 5( a) 所示，保温处理( 500 ℃，30 min) 的玻璃涂层表面出现了少量的 Li2SiO3等晶体，这是因为保温处理会导致温度下降的速度变慢，原子的扩散相对容易，当涂层温度降至晶化温度( 约 600 ～ 800 ℃) 时会产生析晶，但由于温度下降仍然较快，涂层表面绝大部分物质来不及析晶，故只产生极少量的晶体. 如图 5( b) 所示，自然冷却的涂层为完全的非晶态，说明热喷涂后玻璃冷却速度对其析晶行为有一定影响.
2. 2 涂层强度
按照国标 GB8642 － 88 对涂层进行拉伸试验，结果如表 2 所示. 试样均在涂层与基体处断裂，涂层内聚强度为8 MPa 左右，涂层与基体的结合强度要大于 8 MPa. 不同试样结果接近，说明自然冷却和保温处理对涂层内聚强度影响不大. 涂层拉伸过程中，涂层从中间被撕裂，涂层应力应变曲线为一条直线，表明涂层的拉伸过程符合胡克定律，涂层的断裂为宏观脆性断裂. 如图 6 所示，被拉断的涂层的断裂斜截面底部有半熔化的粒子被拉出的凹孔，斜截面呈台阶状，断裂表面有较多的裂纹，说明涂层的断裂过程是由部分与涂层结合较差的粒子在应力作用下与涂层脱落造成应力集中，促使涂层被撕裂.
对涂层进行冲击试验. 用 65 g 钢球在1. 75 m的高度落至试样上的涂层中心，以涂层出现裂纹的冲击次数( N ) 和冲击后涂层脱落情况评定结合性. 若 N 越大，涂层脱落面积小，则结合性越好. 采用工艺 2 制备玻璃涂层试验，结果见表 3.由表 3 结果可以看到，玻璃涂层具有良好的耐冲击能力，说明玻璃涂层内部粒子之间相互啮合的结构较好，涂层具有一定的硬度和抗冲击性.
3 结 论
1) 超音速火焰喷涂工艺制备硅酸盐玻璃涂层最佳工艺为: 粉末颗粒25 ～50 μm，氧气流量34～ 36 m3/ h，煤 油 流 量 13 ～ 14 L / h，喷 涂 距离 25 cm.
2) 玻璃涂层组织较致密，涂层厚度可达到0. 5 mm 以上.
3) 涂层基本呈非晶态，喷涂后玻璃涂层冷却速度对涂层的析晶行为有一定影响.
4 ) 涂层与基体间的结合形式为机械结合，涂层的内聚强度约为 8 MPa，其拉伸断裂形式为宏观脆性断裂，涂层具有一定的硬度和抗冲击性能。
参考文献略
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