超音速等离子喷涂 FeCrBSi 涂层组织和残余应力分析
王召煜，李国禄， 王海斗， 刘金海， 徐滨士， 康嘉杰
材 料 热 处 理 学 报
摘 要: 采用超音速等离子喷涂技术制备了 FeCrBSi 涂层，利用扫描电子显微镜( SEM) 、X 射线衍射仪( XRD) 和纳米压痕仪等研究了涂层的微观组织和力学性能。采用 X 射线应力仪对不同厚度及不同温度退火后涂层的表面残余应力进行测试。结果表明涂层表面的残余应力为拉应力，且随着涂层厚度的增加而增加; 对试样进行退火处理可以有效地缓和涂层表面的残余应力，随着温度的升高涂层表面的残余应力不断降低，到 260 ℃ 左右变为压应力; 压应力值随着退火温度的升高而变大，但当温度升高到大约 400 ℃ 以上时，保持在 80 MPa 左右。
关键词: X 射线衍射; 超音速等离子喷涂; FeCrBSi; 残余应力; 热处理， 热喷涂 超音速等离子喷涂是 20 世纪 90 年代研制成功的新型热喷涂技术，具有粒子飞行速度快、沉积效率高、涂层质量好等优点［1-3］。由于喷涂材料制备工艺涉及高温、大温变和高升温率等环节以及涂层/基体材料热物理性能差异的存在，材料成品中必然存在残余应力［4］。热喷涂层中的残余应力可分为淬火应力及热应力［5］。残余应力不仅直接影响涂层的硬度，还直接影响到工件的工作状况与疲劳寿命，有时还可能导致涂层裂纹，甚至涂层脱落，造成工件的失效［6］。
X 射线衍射法是根据材料或制品晶面间距的变化测定应力的，它是表面残余应力测定技术中为数不多的无损检测法之一，被广泛应用于科学研究和工业生产领域［7-8］。研究表明［9-10］，通过热处理能够改善热喷涂层的组织和力学性能，但有关热处理对涂层的残余应力分布影响的研究尚少。本文工作主要研究了超音速等离子喷涂在 45 钢表面制得 FeCrBSi 涂层的组织、力学性能及不同涂层厚度残余应力的大小，并进一步研究了不同热处理温度对涂层表面残余应力的影响，以期为提高材料表面性能、延长涂层使用寿命提供依据。
1 试验材料及方法
1. 1 喷涂设备及试样的制备
喷涂设备采用自制的高效能超音速等离子喷涂系统。喷涂材料为铁基自熔剂合金粉末，其化学成分( 质量分数，% ) 为: Cr-14. 2，B-1. 38，Si-1. 72，C-0. 1，Fe 余量，粒度为 400 ～ 450 目。粘结层的材料为镍包铝粉末，成分( 质量分数，% ) 为: Ni-90，Al-10。镍包铝粉末在喷涂过程中被加热至熔融状态时，镍铝发生放热反应，放出大量的热，这种放热反应可以持续较长的时间，当熔融粒子到达基体表面时放出的热使基体局部发生重熔，形成了微熔池，从而使粘结底层与基体形成微冶金结合，增大涂层的结合强度。试验用基体材料为 45 钢，喷涂前用丙酮清洗基体的待喷表面，然后用棕刚玉砂进行喷砂粗化和活化处理，形成清洁的粗糙表面，以增强涂层与基体的结合强度。喷涂时将预处理后的试样固定在自制的卡具上，喷涂过程及喷涂结束后的一段时间用冷却气对基体进行降温，以防止基体过热影响喷涂层的质量。制备了三种不同厚度的涂层( 约为 200 μm 、400 μm、600 μm) ，尝试喷涂 600 μm 以上厚度的试样时，涂层发生脱落现象。主要对厚度为 400 μm 的涂层进行了组织及力学性能研究。其它两种厚度涂层仅进行残余应力的检测，以研究厚度对涂层表面残余应力的影响。
1. 2 涂层组织观察及性能测试
涂层 微 观 形 貌 及 组 织 结 构 和 化 学 成 分 采 用Quanta200 型 扫 描 电 子 显 微 镜 ( SEM ) 和 配 套 的Genesis 60 s 能谱仪( EDS) 观察。采用灰度法测定涂层截面的孔隙率。采用 D8 型 X 射线衍射仪对涂层进行物 相 结 构 分 析，用 Cu 靶 Kα 谱 线 照 射，管 压20 kV，管流 5 mA，步进扫描，定时 1 s，步距 0. 1°。涂层的弹性模量及纳米硬度采用 NanoTest 600 型多功能纳米材料性能测试仪测量。测试条件为: 压头最大载荷 － 200 mN，加载与卸载时间 10 s，最大载荷持续时间 3 s。采用 X-350A 型 X 射线应力测定仪测试涂层表面的残余应力，用 Cr 靶 Kα 谱线照射，管压 20kV，管流 5 mA，步进扫描，定时 1 s，步距 0. 1°。采用sin2ψ 法，对于某一个方位角都有一组几个ψ 值，按ψ = 0°、25°、35° 及 45° 进行测定，由弹性力学理论可以求得该方位角下试件表面的残余应力。
2 实验结果与分析
2. 1 涂层的微观形貌
涂层的表面形貌如图 1 所示。从图 1( a) 可以看出涂层表面较为平整，喷涂粉末的熔化情况良好，仅在局部存在少量未熔颗粒; 图 1( b) 和图 1( c) 分别展示出粉末颗粒熔化良好和未熔颗粒的典型区域的形貌，可以看出粉末颗粒熔化比较完全，熔化后的粉末颗粒在碰到基体后产生形变，弥散性较好，但局部出现未熔颗粒。其大小与喷涂粉末的颗粒相近，分析认为在喷涂过程中由于送粉量相对于较大，使得粉末颗粒未能完全成为熔融状态，部分以原始的颗粒状态直接镶嵌在喷涂表面，正是由于这种未熔颗粒使得涂层中存在孔隙的特征。
涂层的截面形貌如图 2 所示，涂层组织均匀，结构致密，无明显的裂纹及孔洞，只有少量的孔隙存在;层与层之间结合完好，涂层固有的层片状结构不是十分明显。采用基于灰度分析［11］的方法对涂层的孔隙率进行了测定，测量值仅为 2. 1% 。
2. 2 涂层的相结构分析
图 3 为涂层的 X 射线衍射图谱，涂层中主要相为 α( Fe，Cr) 相，还含有少量 Cr7C3硬质相化合物，这种化合物的存在使得涂层具有很高的硬度和优异的耐磨料磨损性能。图谱中没有氧化物峰存在，说明涂层在沉积过程中很少发生氧化。
2. 3 涂层的纳米力学性能
FeCrBSi 涂层的纳米压痕载荷-深度关系曲线如图4 所示，所有的曲线均为非线性，光滑且不间断，重复性较好，以上特征说明涂层表面无裂纹产生且力学性能比较均匀。由于所采用的铁基合金粉末是由 Fe、Cr等元素组成的固溶体，没有标准的弹性模量。利用纳米硬度计测量 5 个点的平均值，得到铁基涂层的弹性模量 E 值为 92 GPa，涂层的纳米硬度为 5. 7 GPa。
2. 4 涂层的表面残余应力
2. 4. 1 涂层厚度与表面残余应力的关系
如图 5 所示，涂层的表面残余应力均为拉应力，而且随厚度增加而增大。在喷涂过程中涂层厚度存在一个最大值 600 μm，此时涂层表面残余应力为 225MPa，当涂层厚度达到 600 μm 以上时，涂层发生脱落。对于涂层结构，涂层表面是萌发分层及开裂等失效的关键区域，也是残余应力集中区域，由此可见，涂层表面残余应力过大是造成涂层失效的重要原因。
2. 4. 2 热处理对涂层表面残余应力的影响
将涂层厚度为 400 μm 的试样分成四组分别放在管式电阻炉中加热到 200、400、600 和 800 ℃ 保温2 h，然后随炉冷却至室温。 测量结果如图 6 所示。随着退火温度的升高，涂层表面残余拉应力下降，残余应力由拉应力变为压应力; 涂层的压应力值随着退火温度的升高而不断变 大，但 当 温 度 升 高 到 大 约400 ℃ 以上时，温度的升高对涂层残余应力的影响不大，保持在 80 MPa 左右。
随着加热温度的增加，涂层材料的屈服应力随之下降，该温度下的残余应力一旦超过此时的屈服应力，就会因发生塑性形变而得到缓和，但这种缓和是有限度的，缓和后的残余应力不可能下降到屈服应力以下。由图可见，在 200 ℃ 下退火后，残余应力就有很大程度的降低，但当加热到 400 ℃ 以上时，温度的升高对残余应力几乎没有影响，这是由于温度升高使得材料的屈服应力下降是有限的，从而使得残余应力的缓和也是有限的。
3 结论
1 ) 利用超音速等离子喷涂技术在 45 钢上制备了 FeCrBSi 涂层，其组织均匀，结构致密，孔隙率低( 2. 1 % ) ; 涂层中主要相为 α( Fe，Cr) 相，还含有少量 Cr7C3硬质相化合物; 涂层的力学性能均匀，弹性模量为 92 GPa，纳米硬度为 5. 7 GPa;
2) 超音速等离子喷涂 FeCrBSi 涂层的表面残余应力为拉应力，且随涂层厚度的增加而增大;3) 适当的热处理工艺可以有效地降低涂层表面残余应力; 当退火温度在 260 ℃ 左右时，涂层表面残余应力从拉应力转变为压应力，且压应力值随着退火温度的升高而不断的增大，温度升高到大约 400 ℃ 以上时，保持在 80 MPa 左右。
参 考 文献略
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