热喷涂粒子氧化机理分析及其保护方法概述

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1、热喷涂粒子氧化机理分析及其保护方法概述张林伟,魏　琪,李　辉,栗卓新材料工程http://www.sunspraying.com/摘要:热喷涂涂层由大量撞击到基体后变形铺展的扁平粒子堆积而成,热喷涂过程中粒子的氧化对涂层的相组成、微观组织以及涂层性能都会有较大影响。本文综述了热喷涂粒子在喷涂过程中的氧化机理及减少粒子氧化的方法。关键词:热喷涂粒子;氧化机理;保护方法热喷涂是利用某种高温热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,然后通过自身焰流或外加高速气流使之雾化并喷射到基体表面形成涂层的表面工程技术[1]。在常规大气环境下喷涂金属或金属陶瓷材料时,喷涂

2、粒子不可避免的会与卷入焰流中的氧化性气体反应形成氧化物,这对涂层性能将产生较大的影响[2]。若采用低压等离子喷涂(LPPS)或真空等离子喷涂(VPS)方法能获得组织均匀致密,无氧化物夹杂的高性能涂层,但其使用成本相对很高,工件的尺寸还受真空室容积的限制[3]。热喷涂涂层是由大量撞击到基材上变形、铺展、凝固的扁平粒子逐层堆积而成的,单个扁平粒子的形成,在时间上和空间上是相对独立的[4],涂层的性能与喷涂时单个粒子的状态和形成过程密切相关。为减少喷涂过程的氧化,国内外研究人员近年来不断致力于热喷涂粒子氧化机理的研究并试图通过不同的保护方法以获得高质量的涂

3、层。1　热喷涂粒子氧化机理1·1　粒子的氧化过程在常规大气环境下喷涂时,喷涂粒子会与卷入焰流中的空气发生高温氧化反应。这个氧化过程一般在极短时间(数毫秒)内完成,并且粒子一直保持在较高的温度水平。一般认为,粒子氧化主要发生在以下四个阶段[5]:　　(1)气-固相氧化阶段,发生在粒子加热至熔点以前。这个阶段由于粒子飞行时间短,温度低,粒子的氧化较少;　　(2)气-液相氧化阶段,发生在粒子开始熔化后的飞行过程中;　　(3)气-固相氧化阶段,发生在粒子和基体接触,铺展,扁平化形成涂层但没有被随后同一位置上的粒子覆盖的这段时间;　　(4)层与层之间的氧化阶段

4、,发生在涂层开始堆积后。这个阶段的氧化主要是由高温焰流在涂层上的扫动导致的。上述后两个阶段发生在粒子和基体碰撞后形成涂层的过程中,而前两个阶段则发生在粒子飞行过程中。文献[6]认为粒子在飞行过程中的氧化可能还有另外一种形式:气-气相氧化。对于等离子喷涂来说,由于焰流温度过高,某些喷涂粒子可能会被汽化。汽化的粒子会与卷入焰流中的空气发生氧化反应,形成的氧化物随粒子一起被喷射到基体上进入涂层。在飞行过程中由于熔化粒子表面和氧的化学反应,将首先在熔化粒子表面形成氧化物。随着离开喷嘴距离的延长,粒子温度开始下降,在飞行的后半阶段,氧化物开始凝固,逐渐在粒子表

5、面形成一层薄的氧化层,这是传统的扩散氧化机制。Fauchais等[6]认为对于大气等离子喷涂(APS)来说,在距喷嘴40~50mm以内的焰流中心处,当等离子射流黏度(υg)与粒子黏度(υp)比υi=υg/υp(υ=μ/ρ,μ为黏度;ρ为浓度)大于55,相对雷诺数Re(Rep=ρuRdp/μ,ρ为焰流密度,uR为焰流和粒子的相对速度,dp为粒子直径,μ为焰流粘度)大于20时,此时由于粒子表面流动速度高于自身的平均速度,熔化粒子表面的剪切力使得粒子内部开始形成涡流。在涡流作用下粒子表面和内部将发生对流运动,使表面的氧化物不断被卷入内部,而粒子表面则不断被

6、新的液体重新覆盖。Espie等[7]在实验中已观测到熔融粒子表面由于对流作用而出现的波纹,证明了这种对流运动的存在。由于氧化物和金属表面张力存在差异,进入粒子内部的氧化物将成独立的近球状[8]。这个阶段粒子发生的氧化也被称为对流氧化。随着离喷嘴距离的延长,粒子的相对雷诺数变小,等离子体黏度也开始下降,粒子的对流氧化现象将逐步停止。在距离喷嘴的半后段(约40~50mm后)传统的扩散氧化将成为粒子氧化的主要形式。这时氧化物多出现在粒子表面[5]。但是由于粒子和等离子射流之间仍存在相对速度,粘度较小的熔化金属将被挤到粒子的后表面(如图1a所示),而粘度较大

7、的氧化物则被推向粒子前表面。对于电弧喷涂(AS)来说,由于通常采用的工作气体为压缩空气,粒子的氧化比较严重。而超音速火焰喷涂(HVOF)粒子氧化情况和APS,AS都有所不同。HVOF喷涂时焰流温度较低,为获得高质量涂层应尽量使喷涂粒子处于半熔化或软化状态,这就需要调节燃气中氧气和燃气的比例及压力,从而会影响粒子的氧化情况[8]。HVOF喷涂时粒子氧化可能是扩散氧化和对流氧化两种氧化机制共存,以何种机制为主应视实际情况而定。Sampath等[9]提出了如图1b所示的以对流氧化为主的氧化机制,这是因为研究中选用NiAl热喷涂粉末,粒子完全熔化。Fauch

8、ais等[8]认为HVOF时粒子温度多处于自身熔点以下,粒子氧化以扩散氧化机制为主。总体来说,由于HVOF粒