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等离子喷涂与激光表面改性技术

时间:2017-08-29 19:26:15  来源:桑尧热喷涂网整理  作者:tianzhongma

    热喷涂技术目前已在航空航天、军工、冶金机械、石化、口用品等领域广泛应用。热喷涂技术主要可以对缺损部件进行修补,可使工件获得所需要的尺寸和性能。研究和应用结果表明,热喷涂技术制备的涂层性能优良,具有良好的应用前景。一般常用的喷涂方式为等离子喷涂,故本节主要介绍等离子喷涂技术。

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    等离子喷涂工作原理:喷涂粉末经等离子火焰加热至熔融或半熔融状态,以一定的速度撞击到基体表面形成涂层。高温高速等离子射流是由整流电源的正负极分别接到喷嘴和喷枪,同时向喷枪内输送工作气体,由高频火花引燃电弧,气体被加热到很高的温度而电离,在机械压缩、热压缩和自磁收缩的三大压缩共同作用下,在喷嘴处形成射流。等离子喷涂技术具有,所制备涂层致密、涂层与基体结合强度高等优点。XizhiFan等通过大气等离子喷涂技术在镁合金基体上制备Al-Ni,Ni-AlMCrAIYM=Co,Ni)粘结层,发现原始粉末的构成和组织结构对喷涂层的性能影响较大,而且MCrAIY是最理想的用于制备8YSZ热障涂层的过渡层。MariaParco等发现利用HVOF喷涂工艺可使WC-12coCo涂层与镁合金基体获得很高的结合强度,腐蚀试验研究发现未封孔的WC-CO涂层对Mg耐腐蚀性能有不利影响,通过添加A1过渡层,可使耐腐蚀性能得到很大提高。此外利用一些密封剂如环氧树脂等可有效防治WC-CO涂层在含有氯离子腐蚀环境下的腐蚀。A.J.Lopez等研究了HVOF喷涂工艺参数对ZE41A镁合金表面制备Al-SiC复合涂层耐磨性能的影响,发现喷涂工艺参数优化后的最耐磨涂层是Al-SiC50-350(喷涂距离为350mm,SiCp含量为50%),其磨损量比镁基体小2个数量级。高亚丽等在医用镁合金表面采用等离子喷涂技术制备出了与基体结合强度高、界面无裂纹、气孔等缺陷的轻基磷灰石(HA)涂层,腐蚀试验和钙磷沉积试验结果表明HA涂层具有较好的耐蚀性和骨诱导性。李兴成等采用等离子喷涂技术在AZ31镁合金表面制备Al2O3-13}TiO:陶瓷复合涂层。结果表明:涂层试样的硬度和耐腐蚀性优于基体镁合金,必须对涂层进行封孔后处理,不然腐蚀液将加剧镁合金的腐蚀。

    激光表面改性技术是一种利用高能量密度的激光束直接作用于材料表面或在材料表面形成具有一定厚度的处理层,来达到改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列综合力学性能。常用的镁合金表面激光改性技术主要分为激光熔凝表面处理、激光合金化表面处理和激光熔覆等。

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    (一)激光熔凝

    激光表面熔凝技术采用高能激光束辐照金属表面,使表层快速熔凝,进而形成细密、均匀化组织,其表层硬度、耐磨性及耐腐蚀性都能得到大幅度提高。WalidKhalfaoui等利用脉冲激光对ZE41镁合金进行表面熔凝处理,发现熔凝层的显微硬度较镁合金基体提高约70%,这主要是由细晶强化、固熔强化和弥散强化所共同造成的。MAJUMDARA等对MEZ镁合金进行激光表面熔凝处理,经处理后的熔凝层与基体结合良好,无裂纹和气孔等缺陷,熔凝层的显微硬度较基体提高2-3倍,腐蚀速率降低约4-5倍。高亚丽等在真空条件下对AZ91HP镁合金进行了高功率激光熔凝处理,发现由于枝晶细化和β-Mg17Al12的强化作用,使得熔凝层的硬度提高约90%左右,耐磨性提高78%,耐蚀性显著提高。陈菊芳等通过CO2连续激光对AM50镁合金表面进行熔凝处理,研究了熔凝层的组织和耐蚀性能,研究发现由于熔凝层的组织得到高度细化,成分分布更加均匀,熔凝层的腐蚀电位较镁合金基体提高了37mV,腐蚀电流密度约降低了一个数量级,得到激光熔凝处理可以提高镁合金的表面耐蚀性育旨。

    (二)激光表面合金化

    激光表面合金化技术是用高能密度的激光束在照射材料表面同时添加适当合金化元素来改善基材表面综合力学性能。MAJUMDAR等对MEZ镁合金进行激光表面合金化A1+A12O3粉末处理,发现改性层内的组织是在亚共晶的Mg-Al合金中均匀弥散着A12O3颗粒,改性层硬度较基体提高约10倍,耐磨性提高约两个数量级,耐腐蚀性能也有了提高。徐开东等通过Nd:YAG激光表面合金化工艺,对耐热、高强Mg-Gd系变形镁合金进行了表面激光合金化处理,采用新型高性能TiB2陶瓷微粉体,以A1粉作为粘结相,研究发现强化相TiB2与基体相容性良好,呈均匀分布;合金化层显微硬度较基体提高约4-6倍,且随着TiB2含量增多而增大;但摩擦因数和磨损量却随着TiB2含量增多而减小,在一定配比范围内,激光表面合金化处理能显著改善镁合金表面的耐蚀性育旨。

    (三)激光熔覆

    激光熔覆技术是一种利用高能密度激光束将包覆在基体上的一层硬度高、热稳定性好、具有各种性能的涂层进行快速熔化和快速冷却并与基体形成冶金结合的一种工艺技术。通过激光熔覆技术可以在低成本材料表面获得如高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性和抗氧化性等特殊性能。葛亚琼等对AZ31B镁合金进行激光表面熔覆Ni60合金粉末,研究了不同激光功率下熔覆层的显微组织和磨损性能。发现熔覆层具有典型细化的枝晶组织,且随激光功率增大,枝晶的尺寸增加。随激光功率增大,Mg相的含量逐渐减小,其它相的含量逐渐增多。显微硬度和耐磨性相比原始镁合金都得到提高,在枝晶细化和各种金属间化合物的共同作用下,当激光功率P=3000W时,显微硬度最高,比镁合金基体提高了840%~1102%,且摩擦因数最为平稳,磨损量最小。B.J.Zheng等研究了在AZ91D镁合金表面激光熔覆A1+SiC粉末的显微组织和摩擦性能,表明熔覆层和基体显示良好的结合性能,熔覆层硬度随着SiC颗粒含量的增加而提高,熔覆层耐磨性能的提高由于SiC颗粒和原位合成Mg17Al12相的存在。Y.Yang等为了提高AZ91D镁合金的耐磨性能,在其表面进行激光熔覆Al-Si涂层制备,研究结果表明显微硬度较基体提高约5倍,耐磨性能提高4倍多,主要由于金属间化合物Mg2SiMg17Al12的存在。HUANGKaijin等为了提高AZ91D镁合金的耐磨性能与耐腐蚀性能,利用激光熔覆技术在其表面制备Cu47Ti34Zr11Ni8/SiC非晶复合涂层,研究发现由于非晶相的重组和不同的金属间化合物存在,使得涂层显示优异的耐磨性能,涂层磨损机制为磨粒磨损,基体为粘着磨损,耐蚀性能的提高由于涂层中非晶相的存在。

 


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