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镍基自熔性合金粉末热喷涂工艺的探讨

2013-8-7 14:01| 发布者: fansiyuan| 查看: 4917| 评论: 0

摘要: 赵丽美济南高仕机械制造有限公司(中国材料显微镜网论坛失效分析分版版主)摘要:通用型镍基耐蚀合金的耐蚀性能、抗高温氧化性能都非常优越。但是Ni、Cr、Mo等金属的价格比较昂贵,而就一般材料和零件而言腐蚀往往是 ...
赵丽美
济南高仕机械制造有限公司
(中国材料显微镜网论坛失效分析分版版主)
摘要:通用型镍基耐蚀合金的耐蚀性能、抗高温氧化性能都非常优越。但是Ni、Cr、Mo等金属的价格比较昂贵,而就一般材料和零件而言腐蚀往往是从表面开始的。所以在很多情况下,零件、构件并没有必要整体用耐蚀合金制造。可以将耐蚀合金制成粉末喷涂于零件、构件的表面形成耐蚀层,既有效又经济实用。本文自行制备的Ni基自熔性耐蚀合金粉末球化情况良好,孔隙率低,流动性很好,表面比较光滑,粒度分布呈正态分布。喷焊完成后涂层与基体的结合情况很好,能很好的满足性能和经济要求。
关键词:镍基自熔性合金粉末;等离子喷焊;氧-乙炔火焰喷焊;热疲劳
一、镍基合金粉末概述
       镍基合金粉末有自熔性合金粉末与非自熔性合金粉末(镍合金粉末)之分。非自熔性镍基粉末是指不含B、Si或B、Si含量较低的镍基合金粉末,它们广泛的应用于等离子弧喷涂涂层、火焰喷涂涂层和等离子表面强化。本文所用镍基合自熔性金粉末依据合金耐蚀化原则,在广泛调查现今先进镍基耐蚀合金的成分、性能的基础上,运用经验公式APF=4Cr/(2Mo+W)自行设计成分。成分如表1所示:

       粉末颗粒形貌主要指粉末颗粒的几何形状及其表面特征。几何形状可采用测定椭圆形颗粒的短轴与长轴之比(统计值)来评定,球化程度越高,粉末固态流动性越好。表面特征系指表面颜色、光滑程度等。雾化法制取的热喷涂用金属粉末颗粒内部有时存在大小不等的孔洞,有些孔洞穿透至表面,有些孔洞则封闭在颗粒内部。观察这类孔洞通常用光学金相显微镜。

       从图1(a)和图1(b)中可以看出粉末的球化情况不错,虽然有形状不规则的粉末存在,但是数量不是很多。粉末表面也比较光滑。不规则粉末含量越少、粉末表面越光滑,粉末的流动性也就越好。好的流动性使得热喷涂过程更加流畅从而获得高质量的热喷涂层。另外,从图中看到有空心粉存在,空心贯穿整个粉末颗粒。粉末中含有空心粉是不可避免的事情,关键是看空心粉的数量以及空心粉的形貌。如果空心粉的含量比较大,空心粉的气泡在粉末的中心并且粉末的壁比较厚,那么在热喷涂过程中气泡就不易排除。留在涂层中的气泡必然形成针孔状的缺陷。通过图1(a)和图1(b)我们可以看出本实验所用的粉末中,空心粉的含量比较少,空心贯穿整个粉末颗粒。这样有利于热喷涂时气体的排除,对涂层耐蚀性能的影响不会很大。


二、热喷涂工艺涂层结合情况
热喷涂具有如下特点:
⑴几乎适用于各种材料对零件表面的喷涂,如金属、陶瓷、金属陶瓷、玻璃、有机化合物等;
⑵零件的尺寸大小及形状不受限制,均可以对其表面进行喷涂;
⑶涂层厚度可以控制;
⑷被喷涂的零件受热的影响小,不易变形;
⑸工艺操作程序简单,效率高;
⑹喷涂的材料可以喷涂成型;
⑺被喷涂零件的材质广泛,可以是金属、陶瓷、其他非金属等。
本文主要讨论氧-乙炔火焰喷焊(熔)和等离子弧喷焊两种工艺
氧-乙炔火焰喷焊(熔)是利用燃气(乙炔)及助燃气(氧气)混合燃烧作为热源,喷涂粉末从料斗通过,随着输送气体在喷嘴出口处遇到燃烧的火焰被加热熔化,并随着焰流喷射到零件表面,形成涂层。
等离子弧喷焊亦称等离子弧堆焊,其主要是采用转移弧作热源,在金属基体上喷焊合金粉末作填充材料的一种熔焊工艺。
1、涂层形貌、结合情况比较

图3等离子喷焊层金相图片400×

从图2(a)、图3(a)中可以看出氧-乙炔火焰喷焊层中的缺数量陷明显高于等离子喷焊层。在氧-乙炔火焰喷焊层中存在一些形状不规则的相。图2(b)、图3(b)为涂层横断面的金相图谱。从左到右依次为喷焊层区、结合区、基材热影响区、基材。

从图4(a)、4(b)中可以看出与氧-乙炔火焰喷焊层相比,等离子粉末喷焊得到的涂层比致密,缺陷数量少,组织比较均匀。两种涂层中的孔隙率都比较低,所以没有进行封孔处理。在氧-乙炔火焰喷焊涂层中存在显而易见的黑点和亮点两种缺陷。

从图5(a)、5(b)的比较中可以发现等离子粉末喷焊涂层与基体结合紧密,并且结合部分基本呈直线分布。而氧-乙炔火焰喷焊涂层结合不是很紧密,结合部分虽然也呈直线分布但不如等离子粉末喷焊。氧-乙炔火焰喷焊涂层的缺陷明显高于等离子粉末喷焊涂层。
涂层与基体之间的耐热疲劳强度决定了涂层在使用过程中是否容易脱落。用氧-乙炔火焰喷焊、等离子喷焊两种喷焊工艺制得不同涂层厚度(5.06、1. 25、5.72、2.96 mm ) 的热疲劳试样。将四种热喷涂试样放入700℃马弗炉中恒温10分钟,然后取出后快速淬于18℃的水中,反复循环。循环5次后的试样用1000﹟金相砂纸轻轻磨去表面氧化物, 用自来水冲净, 吹干。用100倍金相显微镜观察裂纹产生及扩展情况。记录破坏(表面出现裂纹或剥落)前热循环次数作为衡量耐热疲劳强度的判据。并记录裂纹的扩展速度,直到裂纹穿透整个试样。
2、裂纹形貌分析
厚度为5.06mm的氧-乙炔火焰喷焊涂层在循环45次以后, 在基体与涂层之间出现明显的分界线,并在端面上出现了垂直于结合区的微裂纹。经过60次循环后基体与涂层出现分离,即涂层开始脱落。循环到105次之后涂层彻底跟基体分离。厚度为5.72mm的等离子喷焊涂层在55次循环之后基体与涂层之间出现明显的分界线。经过95次循环后基体与涂层出现分离,即涂层开始脱落。130次循环之后涂层从基体上脱落下来。
厚度为1.25mm的氧乙炔火焰喷焊涂层、厚度为2.96mm的等离子喷焊涂层在整个过程中没有出现涂层脱落现象。氧-乙炔喷焊层在循环了90次之后出现裂纹,等离子喷焊层循环了105次之后出现裂纹。出现裂纹之后,氧-乙炔火焰涂层中的裂纹生长速度明显的高于等离子喷焊层中裂纹的生长速度。并且在氧-乙炔火焰喷焊层中同时出现了多条肉眼可见的裂纹,最后分布于对面两边的裂纹连接在一起形成一条很宽的大裂纹。而在等离子喷焊层中只出现了一条肉眼可见的裂纹,直到实验结束裂纹未贯穿整个喷焊层。


图6 裂纹在涂层中分布的金相照片 100×

从图6中可以看出,氧-乙炔火焰喷焊层中的裂纹很粗大,等离子喷焊层中的裂纹比较细小。两种裂纹都呈弯曲状。(a)中主裂纹扩展路径附近有次生裂纹。

图7 裂纹形貌金相照片400×

       用4%的硝酸酒精对两种涂层进行腐蚀,进一步观察裂纹的形貌。从图4-20中可以发现,两种裂纹中都存在明显的夹杂缺陷。氧-乙炔火焰喷焊层中裂纹源和裂纹扩展的途径中都有白色亮点夹杂。这种夹杂应该是涂层中的硬质相氧化硅。因为硬质相随基体变形能力差,微裂纹首先在硬质相处产生,然后沿相界扩展,汇聚成大裂纹。裂纹扩展过程中在硬质相颗粒处偏转,于是形成了弯曲状的主裂纹。等离子喷焊层中的主裂纹周围也存在少量的次生裂纹。在主裂纹中也可以看到白色亮点的夹杂缺陷。只是这种夹杂远远少于氧-乙炔火焰喷焊层。这应该就是等离子喷汉层中裂纹细小、扩展速率慢的原因。
       裂纹产生于涂层中缺陷存在处,然后向周围扩展。这主要是由于涂层中的缺陷与镍基自熔合金线膨胀系数不匹配, 冷、热循环过程中,在相界处产生热应力;而涂层中的硬质相等缺陷大多带有一定棱角,在棱角处易产生应力集中现象,形成奇异的应力应变场,裂纹很容易在应力集中处形成并扩展[57]。
       两种薄的涂层本身与母材之间也有一个界面。但热疲劳裂纹产生于涂层内部,在母材与涂层界面处未发现有沿界面方向的裂纹。在等离子喷焊涂层中热疲劳裂纹终止于涂层内。氧-乙炔火焰喷焊涂层中有个别裂纹借助于过渡层中的硬质相穿过过渡层,到达母材。这是由于等离子喷焊层元素扩散比较均匀,并且在过渡区硬质相比较细小、分布比较均匀的原因。
3、裂纹扩展速率分析
以循环次数和裂纹长度为横纵坐标作曲线。

图8 裂纹扩展速率曲线

      从图中我们可以发现,裂纹形成初期扩展速度比较快,以后速度逐渐变小。由形貌、成分、硬度分析我们知道两种涂层中都存在硬质相,而硬质相不可能像金属材料那样产生塑性变形松弛应力,促使裂纹停止扩展。硬质相越多,涂层组织越不均匀,裂纹的生长速度越快。氧-乙炔喷焊涂层与等离子喷焊涂层相比组织不均匀,所以裂纹产生的比较早,并且裂纹的生长速度大。这与前面成分分析、硬度分析相一致。随热循环次数增加,裂纹在长度和宽度上不断增加,直到形成宏观网状裂纹。


小结
(1)  两种喷焊工艺参数的选取基本适合自制的Ni-Cr-Mo-Cu自熔性耐蚀合金粉末,两种喷焊工艺得到的涂层都比较致密,孔隙率比较低,涂层与基体之间实现冶金结合. 从表层到心部依次形成了涂层区、结合区、基体热影响区和基体区,涂层与基体之间存在元素扩散,涂层的显微硬度比较高,从涂层到基体硬度过渡比较平缓。
(2)  与氧乙炔火焰喷焊层相比较,等离子喷焊层元素分布均匀,夹杂少,涂层比较致密,涂层与基体结合紧密。
(3)  氧乙炔火焰喷焊对基体的稀释率高于等离子喷焊








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