等离子喷涂低碳钢表面Al2O3涂层表面性能分析

阿鲁拉吉¹， S Ramachandran²

印度钦奈Sathyabama大学机械工程学院研究学者
印度钦奈Sathyabama大学机械工程学院教授和研究负责人

摘要

表面改性是一个通用术语，现在应用于广泛的不同技术领域，可以有效地利用这些技术来提高工业部件的可靠性和性能。表面工程的日益实用和工业采用是该领域最近重大进展的结果。在各种提高Al2O3涂层低碳钢表面性能的涂层技术中，采用了等离子喷涂热涂层技术。热喷涂是一种涂层沉积技术，将粉末、金属丝或棒材形式的固体给料引入热气体、火焰或等离子射流中，形成加速向基底移动的液滴。本文利用扫描电子显微镜和原子力显微镜等多种表面表征技术，讨论了低碳钢表面镀Al2O3的表面形貌。

关键字

原子力显微镜，等离子喷涂工艺，扫描电镜，表面改性，低碳钢。

介绍

等离子喷涂是一种材料加工技术，它利用电弧和气体的能量产生能够熔化和沉积在基材上的金属和非金属材料的等离子束该技术已被用于开发陶瓷、合金和复合材料的保护涂层，以增强在恶劣环境中工作的关键部件的表面性能在传统的等离子喷涂中，电弧是在棒/棒型喉状钨阴极和喷嘴型铜阳极(都是水冷)之间产生的。等离子体生成气体被迫通过电极之间的环形空间。当气体通过电弧时，在高温环境中发生解离和/或电离，产生等离子体电离是通过电弧的电子与气体的中性分子碰撞来实现的。等离子喷涂与其他表面工程技术相比具有某些独特的优势。利用热等离子体射流的高温(10000 - 15000 k)和高焓，可以在基材温度低至50 0℃的情况下，涂覆任何熔化而不分解升华的粉末。涂覆过程快，厚度从几十微米到几毫米。喷涂工艺对工件尺寸没有任何限制，可以涂覆大样品。在等离子喷涂中，必须处理大量的工艺参数。

实验工作

实验中使用的等离子体炬为非转移型直流电弧型，用于等离子体喷雾沉积的等离子体炬在大电流、大气体流速下工作在非转移模式。电弧能量由等离子体气体提取，等离子体气体以高速(600-800米/秒)和高温(一般为10,000-20,000K)从喷枪喷嘴中喷出。

等离子体射流熔体中引入金属或陶瓷粉末，熔滴高速撞击基体表面形成粘附涂层。阴极由一根带锥形尖端的钨棒组成。在钨中加入约2%的氧化钍以改善钨的热离子发射特性。等离子喷涂Al2O3工艺参数见表1。喷嘴由铜制成，设计成喷嘴的形式。绝缘尼龙块将电极分开。等离子体气体，通常是氩气，通过绝缘子的侧口注入电极间区。电极是高度水冷的。喷嘴在其边缘附近有一个用于输送载气和粉末的端口。当阴极和阳极之间发生电弧时，等离子体气体从电弧中提取能量，并以高温、高速射流的形式从喷嘴中喷射出来。 A thermal pinch effect is produced by the combined action of the cold wall of the nozzle and the cold gas sheath around a very high temperature, conducting core of the arc column. Any powder introduced into the plasma jet melts and the molten particles, travelling at high velocity (about 100 m/s) are projected onto the substrate surface, where they solidify forming an adherent coating.

结果与讨论

1.扫描电子显微镜:-

采用卡尔蔡司SUPRA 55型场发射扫描电子显微镜(FESEM)对表层沉积进行了形貌研究。图2为氧化铝涂层在不同放大倍数下的扫描电镜图。微观结构包括部分熔化区和完全熔化区，如图2 (a)和(b)所示。它没有大面积的部分熔化区，所有的颗粒都从完全熔化状态凝固。显微照片由附着在熔融粉末颗粒上的晶体组成，如图2 (c)和(d)所示。虽然在边界处观察到相当数量的裂纹，但没有观察到会限制裂纹扩展和断裂起裂的大量孔隙率。

2.原子力显微镜:-

采用原子力显微镜(AFM)研究了氧化铝对软钢基体的粗糙度和形貌的影响。在20 μm X 20 μm范围内的三维AFM扫描如图3所示。它描绘了许多峰和谷。平均粗糙度和均方根粗糙度分别为210.068 nm和272.452 nm。从图中可以清楚地看出，表面的最低点与最高点之差为1.8 μm。

结论

等离子喷涂涂层在基材上提供了与其他沉积技术非常不同的特定性能。为了达到一定的镀膜效率，必须对工艺的影响参数进行相应的控制。等离子喷涂中参数数量过多，参数与性能的相关性并不总是已知，精确识别重要的控制参数是优化的必要条件。涂层的微观结构取决于等离子体喷枪的工作功率水平、涂层孔隙率、喷涂过程中原材料中相的形成等物理特性以及喷枪与基体的距离。

参考文献

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