摘要:采用等离子喷涂技术在20Cr钢表面等离子喷涂纳米ZrO2涂层,并用1Cr18Ni9作中间梯度涂层,用以制造特殊管状绝热体.利用SEM方法研究了梯度涂层的结构和显微组织,通过摩擦磨损试验对涂层的耐磨性能进行了分析,用热震法研究了涂层和基体的结合力,并用有无热障涂层的箱体进行实际模拟对比试验,测试了涂层的隔热性能.研究结果表明,ZrO2纳米陶瓷层和1Cr18Ni9梯度层可以形成良好的机械结合;喷涂后的试样表面显微硬度显著提高,耐磨性比GCr15轴承钢提高2.84倍;纳米陶瓷梯度涂层使20Cr钢的隔热性能和抗高温氧化性能显著提高.
关 键 词:ZrO2;等离子喷涂;涂层组织
航空航天、燃气发电、化工和冶金等众多领域的飞速发展促进了热障涂层的研究开发与应用.热障涂层是一种起到隔热作用的功能涂层,通常采用导热系数相对很低的材料,用合适的技术涂覆于高温工作的部件表面,从而避免高温工作介质直接作用在金属基体表面,以良好的隔热性能降低部件表面的温度,成为高温介质加热金属基体表面的屏障,起到削弱热交换的作用,对基体形成有效的保护.陶瓷材料具有十分优异的强度和化学稳定性,广泛应用于隔热和耐磨抗蚀场合,包括作为涂层材料用以提高整体材料的表面性能.有关陶瓷涂层的热障性能研究为数不少,并且部分研究成果已在相关领域得以应用.但是陶瓷涂层的性能仍然存在一定问题,金属基体与涂层存在热膨胀失配应力.研究发现[1],涂层与基体界面的残余应力梯度随基体的热膨胀系数的增大而线性增大,从而限制了陶瓷涂层的使用范围.最新研究成果表明,当材料晶粒度为纳米尺度时,由于与声子平均自由程相当,晶粒对声子的散射作用显著加强[2-3],从而直接影响到涂层的隔热性能.这说明纳米陶瓷热障涂层在降低热导率、提高隔热性能方面具有更大的潜力,已成为热障涂层研究领域的热点和前沿.此外,陶瓷纳米化后的熔点约为普通陶瓷的三分之一[4],可以在等离子火焰中较好地熔融.本研究在前人大量工作的基础上,通过在20Cr钢表面等离子喷涂纳米ZrO2陶瓷涂层[5],并用1Cr18Ni9作中间梯度涂层,希望能解决涂层与基体结合强度不高的问题,并优化涂层的耐磨、抗腐蚀和抗热冲击等综合性能.研究了梯度涂层的结构和显微组织,并通过摩擦磨损试验对涂层的耐磨性能进行了分析,用热震法研究了涂层和基体的结合力,用对比试验测试了涂层的隔热性能.与普通涂层相比,该梯度涂层具有较高的结合强度(梯度涂层的结合强度为19 MPa,而普通涂层的结合强度约为8 MPa),抗氧化性能提高2倍,承受的热循环次数则是普通涂层的6倍以上.
1 试验
1.1 试验材料
试验采用的基体材料为20Cr钢;热障涂层材料体系包括陶瓷面层ZrO2-8%Y2O3,粒度为53.9nm,金属粘结层1Cr18Ni9,粒度分布为80~115Lm.涂层抗热冲击性能(热震性能)的试验选择基材尺寸为3 mm*10 mm*20mm的试片,涂层隔热性能测试选用外形尺寸为200 mm*300 mm*300 mm的可密封箱体.
1.2 涂层制备
将球磨后的粉末均匀弥散分布于去离子水中,形成黏稠的浆料,并加入分散剂,从而获得一种脱聚分散粉末的胶质溶液.然后将浆料喷雾干燥以形成再造粒的二氧化锆团聚物,最后进行高温烧结致密化处理和等离子致密化处理[6].经等离子致密化处理的纳米结构复合材料粉末的扫描电子显微照片如图1所示。
1.3 热喷涂
首先,使用丙酮对喷涂基体试片进行净化处理,然后在射吸式喷砂机上进行喷砂(16JHJ棕刚玉砂)粗化.经过喷砂处理,使基体表面清洁,同时提高了基体表面粗糙度,增加了涂层与基体的接触面积.然后,把基体试片固定在专用夹具上,采用GP-80型等离子喷涂设备喷涂1Cr18Ni9梯度层,而后喷涂制备ZrO2纳米涂层,金属梯度层的厚度控制在120Lm,陶瓷涂层的厚度控制在300Lm左右.ZrO2纳米涂层制备工艺参数:电流530 A,电压53 V,主气(Ar)46 L/min,次气(H2)4.4 L/min,送粉气(Ar)2.5 L/min,送粉速度28 g/min,喷涂距离110 mm,喷涂速度30 mm/s.1Cr18Ni9梯度层制备工艺参数:电流570 A,电压55 V,主气(Ar)48 L/min,次气(H2)5.5 L/min,送粉气(Ar)2.3 L/min,送粉速度33 g/min,喷涂距离80 mm,喷涂速度30mm/s.
2 结果与分析
2.1 涂层的表面形貌
在微观上,陶瓷涂层表面凹凸不平,组织不够均匀、致密,存在一定量的孔隙,并且能够观察到细小显微裂纹的存在,如图2所示.
这种表面形貌特征与涂层的形成机理是密不可分的.在陶瓷涂层的形成过程中,首先是陶瓷粉末颗粒在等离子焰流的作用下处于熔化或部分熔化状态,高速冲向底层表面,粉末颗粒与底层表面接触产生变形,并迅速冷凝、收缩,呈扁平状粘结在底层上.随后的陶瓷颗粒连续不断地冲击底层表面并在其上堆积.重复上述过程,陶瓷颗粒与底层表面之间、颗粒与颗粒之间就会相互交错地粘结在一起形成涂层.因此,涂层是由无数变形的陶瓷颗粒相互交错堆叠而成的.由于部分陶瓷颗粒变形不充分,陶瓷颗粒之间易产生孔隙,导致涂层组织不够均匀、致密和表面凹凸不平.涂层表面裂纹主要是由陶瓷涂层的脆性和陶瓷液滴冷凝收缩产生较大拉应力造成的[7].
2.2 涂层组织结构分析
图3为涂层截面组织形貌,a部分为最外层的ZrO2-Y2O3涂层(面层),b部分为1Cr18Ni9的中间层(底层),c部分是20Cr钢的基体.由图中可以看出截面3层分布明显,无论是基体与粘结层之间,还是粘结层与陶瓷涂层之间,都有明显的分界线存在.由于基体表面经过喷砂粗化处理,微观上是凹凸不平的,这使得基体与粘结层之间良好地嵌合,有助于提高涂层与基体的结合(以机械结合为主)强度.中间层主要成分为1Cr18Ni9,该层具有明显的层状结构,其中也存在着一定量的孔隙,但无微裂纹,有部分Fe成为扩散相.各部分的能谱如图4所示.
3 讨论
3.1 结合强度
在等离子喷涂过程中,由纳米陶瓷团聚体粉末形成的喷涂小液滴具有更高的活性和润湿性,与基体的接触点更多,接触面更大,从而提高了涂层与基体表面的结合能力.在应力作用下,纳米晶粒可以发生一定程度的滑动或转动,具有应力释放作用,使纳米陶瓷涂层的内部应力明显降低.因此,为改善热障涂层的结合强度,采用等离子喷涂纳米陶瓷团聚体粉末获得具有纳米结构的陶瓷涂层是有利的.虽然ZrO2陶瓷材料硬度高,耐磨性好,但其脆性大,与金属材料热膨胀系数不匹配[8],所以需要加入缓冲层.缓冲层的作用在于增强金属基体与陶瓷层的结合力并保护基体材料抗高温氧化和腐蚀[9-10].陶瓷层借助这一中间合金粘结层与金属基体连结,从而降低了界面应力,避免陶瓷层的过早剥落.此外,由于陶瓷涂层存在一定孔隙,空气不可避免地透过孔隙与金属发生接触而氧化,对陶瓷层和金属基体的结合强度造成影响,加入奥氏体型不锈钢1Cr18Ni9缓冲层可有效防止金属基体的氧化.
3.2 耐磨性试验
在MM200型环块磨损试验机上进行耐磨性试验.试验条件:外加载荷F=16 kg,转速600 r/min,线速度V=1.20 m/s,润滑剂为机油,对磨材料为GCr15(淬火并低温回火后硬度为HRC60).从磨损试验结果可以看出,淬火GCr15试样平均磨损为0.363 mm3,陶瓷涂层试样平均磨损为0.128 mm3,如以GCr15试样的耐磨系数为1,则陶瓷涂层试样的耐磨系数为2.84.因此,20Cr钢表面喷涂纳米陶瓷后其耐磨性提高了2.84倍.
3.3 热震性能测试
为了考核涂层和基体的结合力,将表面具有0.3 mm ZrO2涂层的试样(尺寸为3 mm*10 mm*20 mm)进行热震试验,结果如表2所示.常规热障涂层结构为层片状结构[11],裂纹平行于涂层表面,且存在贯穿性裂纹.此类结构对抗热冲击性能十分不利,同时易导致涂层早期失效.热喷涂微米级颗粒时,也只有颗粒表面产生熔融,而由于纳米颗粒比表面积大,活性高而极易被加热熔融,在热喷涂过程中熔融程度较好.纳米颗粒撞击到基材后变形剧烈,平铺性明显优于微米级颗粒.纳米结构涂层熔滴接触面增多,可降低涂层中的大孔径气孔含量,使涂层中裂纹的长度有效缩短,穿透性裂纹减少,增加了涂层的韧性,不仅使纳米结构涂层的热震性能提高,还在一定程度上阻止了结合底层的过早氧化.
3.4 隔热性能试验
将具有ZrO2内外隔热层的密闭方形箱体内放入加热到900e的钢块,随时间延长不断冷却.然后,测量箱体外壳的温度,并与同体积结构的无隔热涂层的箱体试验比较,发现外壳体的外表面最高温升(在环境温度为20℃时)降低近30~40℃.所用方形容器(如图5所示)内部方形固体1为发热工件(尺寸为100 mm*100 mm*100 mm),其下方2为耐火砖衬板,右图为箱体壁的放大图:外隔热层(上侧)和内隔热层(下侧).根据宫声凯等人的研究[12],一般影响热障涂层隔热效果的主要因素有:¹涂层材料体系的导热系数和涂层厚度;热障涂层工作时所处的环境参数;冷却气流的换热系数.其中,热障涂层的隔热效果与涂层冷端(冷却气体)、热端(高温工作气体)温度之差成正比关系,在实际应用涂层厚度范围内隔热效果还与陶瓷涂层厚度成近似直线关系.特别是冷却气流的换热系数增大时,涂层厚度的改变对涂层隔热效果的影响最大.因此,无论对于传统微米级热障涂层,还是纳米结构的热障涂层,随着涂层厚度增加其隔热能力相应提高[13],这与实际测量结果是一致的.同样厚度的涂层,具有纳米结构的陶瓷热障涂层隔热性能明显提高.因此,为了改善热障涂层的隔热性能,采用纳米陶瓷热障涂层是有利的.
4 结论
1)在合适的条件下,采用等离子喷涂技术在20Cr钢的表面喷涂纳米陶瓷团聚体粉末(ZrO2-8%Y2O3),并用1Cr18Ni9作中间梯度层可以获得具有纳米结构的陶瓷热障涂层.
2)与传统微米级陶瓷涂层相比,纳米陶瓷涂层的表面更加平整,涂层中微裂纹和孔隙更加细小,而且孔隙率更低.粘结涂层(1Cr18Ni9)具有明显的层状结构,存在一定量的孔隙,但无微裂纹.喷涂后试样表面显微硬度增高,最高可达到1 000 HV,耐磨性能比GCr15轴承钢提高了2.84倍.
3)与传统微米级陶瓷涂层相比,纳米陶瓷涂层有更高的结合强度,这主要与纳米粉末形成的喷涂小液滴具有更好的润湿性和与基体接触面积更大有关.
4)纳米陶瓷热障涂层比传统微米级热障涂层有更高的抗热冲击性能,这主要归因于纳米陶瓷的增韧作用和纳米热障涂层较高的结合强度.
5)纳米陶瓷梯度涂层使20Cr钢的耐热性能和抗高温氧化性能显著提高,可用于制造管状绝热体。
参考文献略
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