等离子喷涂低碳钢表面Al2O3涂层的表面性能分析

阿鲁尔·拉杰¹拉马钱德兰²

印度金奈萨提亚拉巴马大学机械工程学院研究学者
印度金奈萨提亚拉巴马大学机械工程学院教授兼研究主任

摘要

表面改性是一个通用术语，现在应用于各种技术的大领域，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。表面工程越来越多的应用和工业应用是该领域最近取得重大进展的结果。在提高Al2O3涂层低碳钢表面性能的各种涂层技术中，我们采用了等离子喷涂工艺的热涂层技术。热喷涂是一种涂层沉积技术，在这种技术中，粉末、线材或棒材等固体原料被引入热气体、火焰或等离子体射流中，形成液滴，液滴加速冲向基材。本文采用扫描电镜和原子力显微镜等不同的表面表征技术，对低碳钢表面涂层的Al2O3表面形貌进行了研究。

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等离子束，使金属和非金属材料熔化并沉积在基材上该技术已被用于开发陶瓷、合金和复合材料的保护涂层，以提高在恶劣环境下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/棒型喉道钨阴极和喷嘴型铜阳极(两者都是水冷的)之间产生的。产生等离子体的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而实现的。等离子喷涂与其他表面工程技术相比具有独特的优势。利用热等离子体射流的高温(10,000-15,000K)和高焓，可以在基材温度低至50℃的情况下，对任何熔化而不分解或升华的粉末进行涂层，涂层过程快速，厚度可以从几十微米到几毫米，喷涂技术对工件尺寸没有任何限制，可以对大样品进行涂层。在等离子喷涂中，必须处理许多工艺参数。

实验工作

实验中使用的等离子炬为非传递直流电弧型，如图1所示。用于等离子喷涂沉积的等离子炬在大电流和气体流速下工作在非传递模式下。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(通常为10,000-20,000K)从火炬喷嘴中喷出。

引入等离子体射流的金属或陶瓷粉末熔化，熔滴以高速撞击基材表面形成附着涂层。阴极由一根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，通过绝缘体的侧孔注入电极间区域。电极是高度水冷的。喷嘴在其边缘附近有一个端口，用于输送载气和粉末。当阴极和阳极之间产生电弧时，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出。 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.扫描电镜:-

利用卡尔蔡司SUPRA 55场发射扫描电镜(FESEM)对顶层沉积进行了形貌研究。图2为不同放大倍数下氧化铝涂层的扫描电镜图。如图2 (a)和(b)所示，微观结构由部分熔化和完全熔化区域组成。它没有大面积的部分熔化区域，所有颗粒似乎都是从完全熔融状态凝固的。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。尽管在边界处观察到相当数量的裂纹，但没有观察到大量的孔隙率，这将限制裂纹的扩展和断裂的发生。

2.原子力显微镜:-

利用原子力显微镜(AFM)研究了涂覆氧化铝的低碳钢基体的粗糙度和形貌。图3显示了20 μm X 20 μm的三维AFM扫描图，它描绘了许多波峰和波谷。平均粗糙度为210.068 nm，均方根粗糙度为272.452 nm。从图中可以看出，地表最高处与最低处之差为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截然不同的特殊性能。为了使镀膜效率达到一定的值，必须对工艺的影响参数进行相应的控制。等离子喷涂过程中参数数量过多，且参数与性能的相关性并不总是已知的，因此需要精确识别重要的控制参数来进行优化。涂层的微观结构取决于等离子炬的工作功率水平、涂层孔隙率、喷涂过程中原材料的相形成等物理特性以及炬与基体的距离。

参考文献

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