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通过原位干冰处理提高等离子喷涂氧化铬涂层的质量-行业动态

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-12-17 1:00:20 * 浏览: 8
铬氧化物和陶瓷的热喷涂通常不容易,因为它们的熔点高,使用等离子炬是一个好的开始,但是拥有正确的操作参数更为重要,并且已经对优化进行了深入研究。 HVOF喷涂是处理氧化铬的另一种选择。可以达到的温度不如等离子喷涂那么高,但是提高的颗粒速度使陶瓷加工成为可能。 HVOF喷涂陶瓷已经测试了至少20年[26] [36],但是由于陶瓷材料的高熔点,它们仍然相对具有挑战性。 4.1氧化铬的等离子喷涂参数文献中发现的氧化铬的等离子喷涂参数是不同的。主要的等离子气体通常是氩气,而氢气则用作辅助气体,在某些情况下,使用氦气代替氢气。电弧电流范围为500A至750A,电压为45-75V,可产生34-45kW的功率。所使用的粉末是烧结的,粉碎的或团聚的,并且烧结的典型粒度为10-45微米,并且粉末流速为15 g / min至25 g / min。喷涂距离通常保持在100 mm附近。 [18]-[22]在较早的等离子喷涂氧化铬实验研究中,研究了不同参数的影响。高电流强度500A是本研究的测试值,被认为对于良好的附着力和低孔隙率很重要。将基板预热的效果也很重要,因为预热至400°C可获得峰值附着力。 [30]在类似的研究中,对影响附着力的参数进行了更详细的研究。该结果支持了对高电流强度重要性的早期研究,并阐明了地面预热的影响。显然,基材喷射和喷涂之间的时间是关键因素。据推测,喷砂和喷涂之间的时间越长,将允许形成由空气,湿气和其他杂质组成的较厚的吸收层。如果喷砂和喷涂之间存在较长时间(2小时),则预热将显着增加涂层的附着力,这很可能是由于杂质蒸发所致。如果喷砂后立即进行喷涂,则预热的需求就不那么重要了。 [31]目前尚无关于单次氧化铬涂层行为的研究,但对氧化锆的研究表明,表面纯度对于形成干净的涂层而不是高基材温度至关重要,如图12所示。[32]至于其他喷砂前处理,也必须正确进行喷砂处理,因为将表面粗糙度从2.5μm增加到4-5μm可以改善涂层的附着力。图12:喷涂在低压室中的抛光基材上的氧化锆涂层的形貌。 a)在室温下喷涂在基材上。首先加热基材以除去冷凝物,然后冷却至室温,然后喷涂。还已经发现,由于冷却喷嘴的冷却和清洁性能,冷却喷嘴及其位置的影响对于氧化铬涂层的质量是最关键的参数,因为它们声称从表面吹走未熔化的颗粒。该设备包括两个平行于等离子流侧面的压缩空气流,在这种情况下,横向距离为30 mm。尽管据说冷却喷嘴在等离子体喷嘴中引起湍流,但仍认为使用冷却喷嘴是有益的。 [31]除APS以外的等离子喷涂技术有潜力生产出优质的涂层。铬酸盐涂层是使用具有不同参数的大功率250kW等离子喷涂系统制造的,因此涂层速度更高。 [33]高功率等离子喷涂系统的粒子速度是传统APS的两倍,并且更快的粒子撞击速度导致涂层的硬度更高和孔隙率更低[34]。大功率等离子喷涂系统的喷涂速度也要高2-3倍,从而在工业应用中节省了大量成本[35]。 4.2氧化铬的HVOF喷涂与HVOF喷涂相关的更高速度通常产生的涂层的质量要比典型的APS高得多,这在金属陶瓷涂层中是众所周知的。为了喷涂氧化铬,应设定温度(和速度)以确保适当的熔化。燃烧气体在文献中使用的包括氢,丙烯[6] [25],乙烯[8]和乙炔[36]。氢气为高温提供了广阔的工艺窗口,而丙烯可以达到更高的速度。尽管乙炔具有火焰温度,这就是为什么对其进行了一些早期HVOF氧化铬喷涂测试的原因,但是由于实际使用中的压力限制,乙炔的流速受到限制[36]。由于HVOF系统有限的加热能力,所用的粉末尺寸小于APS中保持的粉末尺寸。 HVOF喷涂中陶瓷的常用粉末尺寸为5-15μm。紧凑的尺寸分布使处理更加容易,并提供了更宽的处理窗口[5]。喷雾距离通常比APS长,通常100-150毫米。功率馈送速率类似于APS使用的值。 [6] [8] [36]在较早的测试中,较短的喷涂距离形成了具有更好耐磨性的涂层,这可能与较长飞行过程中的颗粒冷却和凝固有关[36]]。图13:在TUT上喷涂了100%Cr2O3涂层的APS(左)和HVOF(右)的SEM(BSE)显微照片。与现有的APS喷涂样品相比,HVOF喷涂三氧化二铬可产生具有较低孔隙率,更少裂纹和更好附着力的涂层微观结构,现有的孔更小且分布更均匀。 [25]超音速火焰喷涂氧化铬的这些特性如图13所示。在HVOF喷涂氧化铬中也检测到等轴和较小的柱状晶粒。另外,相同的样品表现出较高的压痕断裂韧性和挠曲断裂行为,类似于块状材料。与APS相比,HVOF样品的VVO硬度和压痕断裂韧性也得到了改善。 [6]与APS相比,HVOF系统喷涂氧化铬的性能源于更高的速度和更低的火焰温度。 HVOF喷涂样品中的颗粒具有较高的扁平度,这使得各个小片之间的内聚力更高。还假定由于几乎瞬时的扁平化和高动能,直到扁平化完成才开始固化,这导致较高的过冷度和上述等轴晶。 [6]由于火焰较冷,HVOF喷涂可将氧化铬减少为金属铬。然而,即使HVOF涂层具有更好的性能,该工艺的沉积效率也低于APS,但这可能只是进一步工艺优化的问题。 4.3关于氧化铬汽化的沉积效率(DE)的数据很少,这可能与可靠测量DE的难度有关,因此信息很少。研究小组的共识表明,chro-miasDE的含量很低,可以从文献中收集到什么来支持这种说法。处理效率与喷雾参数本质上相关,因此处理之间会有很大的波动。在一项特殊研究中,对等离子喷涂氧化铬的DE进行了详细的研究,根据割炬参数的不同,获得的DE值范围为26.6%至58.5%。对于使用丙烷作为燃料气的HVOF,据报道DE为32%。 [38]当使用低火焰温度,尤其是HVOF系统时,由于未融化的颗粒而导致沉积效率低,并且在飞行过程中加热不足也会导致涂层质量差。氧化铬具有较高的熔点Tm = 2334°C(2607K [39])和较低的热导率,这由于单个颗粒的孔隙率而进一步降低。由于热喷涂的粒子停留时间非常短,因此有必要使用较高的火焰温度来适当地熔化粒子。然而,这带来了另一个挑战:由高温火焰引起的原料粉末的蒸发和DE的降低。 [40]根据计算机模拟,当芯保持固态时,35μm氧化铬颗粒的表面温度可能远远超过熔化温度。从图14和15可以看出,孔隙率在喷雾过程中颗粒的行为中起着重要作用。图14:等离子火焰中具有不同孔隙率的喷涂Cr2O3颗粒的表面温度。 (X =到进样口的距离)[39](第373)关于氧化铬的汽化及其对沉积效率和涂层显微硬度的影响的研究很少。在热喷涂工艺中的应用,这一问题有据可查。从氧化铬颗粒流中蒸发掉的材料的实际数量很难估计,并且始终取决于粒度分布,内部孔隙率和火焰参数。通常,等离子喷涂过程中的汽化量似乎非常重要。计算表明,对于铁颗粒(14-55μm),等离子喷涂中的气化物质总量可高达25%,且氢含量高,电弧电流大。较低的等离子体温度自然会减少蒸发量。也有文献记载,随着形成的铁蒸气冷却,它凝结成亚微米颗粒[40]。在氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的情况下,陶瓷蒸发和随后的蒸汽冷凝也得到了证明。结果与铁颗粒的结果相似,YSZ粉末蒸发并凝结为亚微米颗粒(粉尘)。测量颗粒浓度,发现其随着喷灯轴向距离的增加而增加,这意味着粉尘浓度更接近基材。 [41]这种灰尘将积聚在基板上,并与熔融液滴之间的熔融颗粒一起积聚。这种现象已在其他地方的氧化铝中得到证实,请参见图16 [42]。氧化铬也被认为是类似的行为[31]。在各道次之间夹杂细粉尘会在各道次之间形成较差的粘附层,从而导致热喷涂氧化铬涂层的总涂层内聚力和分层孔隙率差。这些微观结构因素进一步恶化了涂层的耐磨性和其他性能。 pstyle =