激光重熔制備io

激光重熔制備io

設(shè)計陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕性、耐腐蝕性和耐高低溫性。作為一種涂層材料，它解決了在一定溫度下腐蝕和磨損的問題，從而達(dá)到了材料和有機(jī)材料的效果。在各種陶瓷涂層的制備方法中,等離子噴涂陶瓷涂層技術(shù)在金屬防腐涂層中得到廣泛應(yīng)用。然而,等離子噴涂獲得的陶瓷涂層由微米級粒子堆積而成,其組織不均勻,存在不少的孔洞,降低了陶瓷涂層的使用性能,特別是耐腐蝕性能。作為等離子噴涂陶瓷涂層封孔技術(shù)之一的激光熔覆,可提高其耐蝕性。納米陶瓷材料具有塑性好、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等獨特的結(jié)構(gòu)和性能,在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。利用納米陶瓷材料的這些優(yōu)異性能,在金屬基體表面制備出一定厚度的納米(或含納米)結(jié)構(gòu)表層,賦予金屬材料表面新特性,滿足特定服役條件下各種特定性能的要求,已引起國內(nèi)外普遍關(guān)注,并被認(rèn)為是今后幾年內(nèi)納米材料研究最有可能取得實際應(yīng)用的領(lǐng)域。采用激光熔覆等離子噴涂陶瓷涂層技術(shù),以納米Al2O3材料為填料,在45號鋼表面,制備納米改性Al2O3+13%TiO2復(fù)合陶瓷涂層是一種新方法。本文作者考察采用上述方法獲得的不同材料體系涂層在酸性溶液中的耐蝕性及其失效機(jī)制。1實驗1.1粗顆粒及nicral粉末粒度采用45號鋼為基體材料,試樣尺寸為30mm×20mm×10mm,粗顆粒Al2O3及TiO2粉末粒度均為40～100μm,NiCrAl粉末粒度為35～105μm;納米Al2O3顆粒尺寸約為50nm。1.2目標(biāo)選取采用等離子噴涂預(yù)置NiCrAl/Al2O3+13%TiO2及Al2O3涂層。等離子噴涂工藝及參數(shù)見文獻(xiàn),NiCrAl層厚控制在100μm以內(nèi);Al2O3及Al2O3+13%TiO2涂層厚度控制在800μm以內(nèi),一次噴涂厚度不超過200μm,涂層厚時須分多次噴涂。借助專門設(shè)計的鋪粉裝置,將納米Al2O3粉末鋪設(shè)在已形成的Al2O3+13%TiO2陶瓷層上,利用NEL2.5kW快速軸流CO2激光器進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)功率為100～200W,掃描速度1～1.8m/min,光斑直徑1mm,氬氣保護(hù)。1.3涂層腐蝕及腐蝕采用JSM5610LV,JSM6300,LEO1530VP型掃描電鏡及D/MAX-RA型X射線衍射儀進(jìn)行涂層結(jié)構(gòu)及相分析;采用10%的HCl溶液進(jìn)行強腐蝕,腐蝕量及速率檢測采用質(zhì)量損失法。采用同一試件連續(xù)多小時或多天腐蝕,腐蝕質(zhì)量損失用0.1mg分析天平稱量,每次稱量前經(jīng)過超聲波清洗。實驗時除陶瓷涂層面暴露在腐蝕液中外,其余表面均用耐酸膠封住,以隔斷非涂層面與腐蝕液的接觸。2涂層組織及織構(gòu)利用等離子噴涂技術(shù),將粗顆粒Al2O3陶瓷粉末直接噴涂在鋼基體上,所制備的涂層截面形貌如圖1所示?？梢娡繉觾?nèi)存在大量的微孔隙、微裂紋,涂層呈明顯的層狀結(jié)構(gòu)。在噴涂過程中,有些粒子僅表層熔化未能完全展平,因而在涂層內(nèi)部形成孔隙;同時,由于陶瓷不易發(fā)生塑性變形,冷卻時熱收縮應(yīng)力難以松弛,易形成裂紋。陶瓷與金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差大,金屬與陶瓷的不浸潤會導(dǎo)致陶瓷與金屬基體間存在明顯的分界,其界面結(jié)合能力差。陶瓷涂層表面XRD譜表明(圖2),最強的2個衍射峰對應(yīng)γ-Al2O3,次強峰對應(yīng)于α-Al2O3?？梢?噴涂前粉末為α-Al2O3相,噴涂后存在γ-Al2O3相及α-Al2O3相,且以γ-Al2O3相為主相。這和γ-Al2O3臨界成核自由能低,優(yōu)先成核有關(guān)。但涂層中也有較多的α-Al2O3穩(wěn)當(dāng)相。圖3所示為等離子噴涂Al2O3+13%TiO2陶瓷涂層的截面組織形貌,從上至下依次為Al2O3+TiO2陶瓷層、NiCrAl中間粘結(jié)層及金屬基體。由圖1和圖3比較可知,TiO2的加入將有助于涂層中各片層間結(jié)合強度和涂層致密度的提高。同時可以看出,Al2O3+TiO2陶瓷層與NiCrAl粘結(jié)底層,以及NiCrAl粘結(jié)底層與基體界面形成了結(jié)合良好的機(jī)械結(jié)合界面。該陶瓷涂層表面X射線衍射分析結(jié)果表明,陶瓷層主要由α-Al2O3、TiO2及少量的γ-Al2O3組成。鋪設(shè)納米Al2O3粉末,經(jīng)激光重熔處理后的陶瓷層Al2O3+13%TiO2/nano-Al2O3的截面SEM組織形貌如圖4所示。從上至下依次為陶瓷層、NiCrAl層和金屬基體。伴隨著激光的作用及納米Al2O3的滲入,激光作用區(qū)的組織與上述2種等離子噴涂層相比,涂層組織更加致密,疏松孔洞明顯減少且得到封閉,層狀堆結(jié)特征得以消除。這是激光重熔和納米陶瓷材料雙重作用的效果。涂層表面XRD分析結(jié)果表明,激光熔覆層由α-Al2O3和TiO2組成。在激光作用下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的γ-Al2O3已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)的α-Al2O3。詳細(xì)分析見文獻(xiàn)。3陶瓷涂層腐蝕圖5所示為24h內(nèi)不同成分復(fù)合陶瓷涂層試樣在10%HCl溶液中腐蝕的質(zhì)量損失曲線。由圖可知,腐蝕質(zhì)量損失隨時間變化呈近似線性增加。腐蝕初期5h內(nèi)的腐蝕數(shù)據(jù)表明,以Al2O3+13%TiO2的腐蝕質(zhì)量損失量為最大,Al2O3+13%TiO2/nano-Al2O3涂層的腐蝕質(zhì)量損失為最小,但質(zhì)量損失相差不大。在腐蝕5h后,單純Al2O3涂層腐蝕的質(zhì)量損失比Al2O3+13%TiO2大得多,且隨著腐蝕時間的增加腐蝕質(zhì)量損失增加明顯,而Al2O3+13%TiO2/nano-Al2O3涂層的腐蝕質(zhì)量損失仍為最小,且曲線變化最為平坦。這是由于等離子噴涂溫度比較高,TiO2熔點較低(1845℃),熔化后能有效展平,填充到Al2O3顆粒間的空隙中,提高了涂層的致密度和結(jié)合強度,也提高了涂層的耐蝕性能。激光重熔本身已作為一種新的技術(shù)用于多孔性等離子噴涂層的封孔處理。激光重覆后的涂層組織表明,顆粒得以細(xì)化的同時,涂層組織也得以致密化,疏松孔洞大為減少,原等離子噴涂陶瓷層中的孔洞明顯減少且得到封閉,其通孔率和開口率下降。激光重熔滲入納米Al2O3后的涂層組織表明,納米Al2O3顆粒主要分布在粗顆粒表面,填充在粗顆粒間。很明顯,這些處于粗顆粒表面和粗顆粒之間的納米顆粒將進(jìn)一步降低孔隙率,增強粗顆粒之間的結(jié)合,涂層致密度又有很大提高。這正是等離子噴涂陶瓷涂層,經(jīng)激光重熔納米滲入后,抗蝕性能得以提高的根本原因所在。同時,激光重熔使等離子噴涂態(tài)的亞穩(wěn)相γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相α-Al2O3,使噴涂層的電極電位趨于一致,減少了微觀腐蝕電池,提高了涂層耐蝕性。圖6所示為陶瓷涂層腐蝕30d內(nèi)的腐蝕速率比較。由圖可見,腐蝕速率在腐蝕開始階段增加迅速,隨涂層材料的不同,曲線達(dá)到最高點的時間不同,但各個曲線到達(dá)最高點后腐蝕速率都較快地下降。大概在10d以后,腐蝕速率又呈緩慢下降趨勢,曲線變得平緩。這說明在涂層內(nèi)存在一些不耐蝕相,不耐蝕相初期腐蝕很快,隨著不耐蝕相的減少,使涂層的腐蝕速率變小。由腐蝕前各種涂層的XRD分析可知,等離子噴涂陶瓷Al2O3涂層存在大量的γ-Al2O3相,等離子噴涂陶瓷Al2O3+13%TiO2涂層也存在少量的γ-Al2O3相。有研究表明,處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的γ-Al2O3其耐腐蝕性能要比處于穩(wěn)定狀態(tài)的α-Al2O3差。分析認(rèn)為,首先涂層的多孔性為腐蝕液進(jìn)入陶瓷層提供了條件,其次陶瓷涂層中所含的夾雜和非平衡相γ-Al2O3,它們與腐蝕介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),是造成陶瓷涂層腐蝕的原因之一。所以,不耐蝕相γ-Al2O3的大量存在加快了初期腐蝕速率,初期腐蝕質(zhì)量損失大,而涂層內(nèi)部快速腐蝕形成的孔洞,將導(dǎo)致金屬粘結(jié)層和基體產(chǎn)生不同程度的腐蝕。同時質(zhì)量損失的多少又與涂層中不耐蝕相的含量有關(guān),也導(dǎo)致了各曲線到達(dá)頂點的時間不同。經(jīng)激光重熔納米α-Al2O3滲入Al2O3+13%TiO2的陶瓷層,由α-Al2O3和TiO2兩相組成。在激光作用下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的γ-Al2O3已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)的α-Al2O3。由圖6可知,在長期的腐蝕環(huán)境下,3種涂層所表現(xiàn)的耐蝕性仍以Al2O3+13%TiO2/nano-Al2O3涂層為最好。其腐蝕速率最小,曲線變化平緩,腐蝕量最小。為研究陶瓷涂層厚度對涂層耐蝕性的影響,取厚度分別為200,400,600μm的Al2O3等離子噴涂陶瓷涂層,腐蝕30d的情況作比較。圖7顯示了Al2O3陶瓷涂層厚度對腐蝕速率的影響。可見,隨著厚度的增加,腐蝕速率增加。進(jìn)一步分析原因可知,在相同工藝參數(shù)下,涂層越厚,涂層中的不耐蝕相含量越多,在相同腐蝕時間內(nèi)的質(zhì)量損失越大。而且,隨著厚度的增加,須經(jīng)多次噴涂,易造成涂層分層,涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力也將增加,會導(dǎo)致涂層中裂紋數(shù)的增加。在噴涂中和噴涂后形成的裂紋,無疑為腐蝕介質(zhì)直接進(jìn)入金屬層提供了通道,腐蝕介質(zhì)沿著這些通道使金屬層產(chǎn)生了點腐蝕。而金屬層產(chǎn)生的點腐蝕量與陶瓷層中包含的直通金屬層的裂紋數(shù)量密切相關(guān)。4納米al2o3+3的耐蝕性1)陶瓷涂層在腐蝕性介質(zhì)中,其內(nèi)部發(fā)生了腐蝕。陶瓷涂層的腐蝕失效機(jī)制為陶瓷涂層本身腐蝕和粘結(jié)層金屬腐蝕2種腐蝕并存。2)由于Al2O3等離子涂層本身多孔及存在大量不穩(wěn)定相,其耐蝕性最差;