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

铬氧化物和陶瓷的热喷涂通常不容易，因为它们的熔点高，因此，使用等离子炬是一个好的开始，但是具有正确的工作参数更为重要，并且对其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喷涂陶瓷已经进行了至少20年的测试[26] [36]，但是由于陶瓷材料的熔点较高，因此它们仍然相对具有挑战性。 4.1等离子喷涂氧化铬文献中发现的喷涂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，压碎的或团聚的，并且烧结的典型粒径为10-45微米，并且粉末的流速范围为15g / min至25g / min。喷涂距离通常保持在100 mm附近。 [18]-[22]在先前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。预热基材的效果也非常重要，因为预热至400°C会达到峰值附着力。 [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。这一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，喷砂和喷涂基材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，水分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），则预热将显着提高涂层的附着力，这很可能是由于杂质蒸发所致。如果在喷砂后立即喷涂，则预热的需求就不那么重要了。 [31]目前尚无关于氧化铬单涂层涂层行为的研究，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，详情请参见图12。 [32]对于其他预喷砂处理，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。还发现，冷却喷嘴的影响及其位置是氧化铬涂层质量的最关键参数，这归因于其冷却和清洁性能，因为它们声称将未融化的颗粒从表面吹走。该设备由两个平行于等离子流两侧的压缩空气流组成，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，其他等离子喷涂技术也有可能产生出色的涂层。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，涂层的生产速度更高。 [33]大功率等离子喷涂系统的颗粒速度是传统APS的两倍。更快的颗粒撞击速度导致涂层具有更高的硬度和更低的孔隙率[34]。大功率等离子喷涂系统的喷涂速度也提高了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，这在金属陶瓷涂层的情况下是已知的。为了喷涂氧化铬，应将温度（和速度）调整为确保适当的熔化程度。文献中使用的燃烧气体包括氢气，丙烯[6] [25]，乙烯[8]和乙炔[36]。氢气为高温提供了广阔的工艺范围，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，其流速受到限制[36]。由于HVOF系统有限的加热能力，所用粉末的尺寸小于APS中保持的粉末尺寸。 HVOF喷涂中常用的陶瓷粉末尺寸为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]在早期实验中，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颗粒的冷却和凝固有关[36]。图13：喷涂在具有100％Cr2O3涂层的TUT上的APS（左）和HVOF（右）的SEM（BSE）显微照片。已经证明，与APS喷涂的样品相比，HVOF喷涂氧化铬可产生具有较低孔隙率，更少裂纹和良好粘合性的涂层微观结构。现有的孔较小，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。此外，与散装材料相似，同一样品表现出更高的压痕断裂韧性和弯曲断裂行为。与APS相比，HVOF样品的维氏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自明显更高的速度和更低的火焰温度。 HVOF喷涂样品中的颗粒被弄平到更高的程度，这使得这些板之间的内聚力更高。还假设由于几乎瞬时的扁平化和高动能，在扁平化完成之前无法开始固化，这导致较高的过冷度和上述等轴晶化。 [6]由于火焰温度较低，HVOF喷涂可将少量的氧化铬还原为金属铬。然而，即使HVOF涂层具有更好的性能，该工艺的沉积效率也比APS低，但这可能只是进一步工艺优化的问题。 4.3氧化铬的汽化关于热喷涂铬镀层的沉积效率（DE）的数据很少，这可能与可靠测量DE的难度有关，因此信息很少发布。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支持该说法的信息。处理效率与喷涂参数本质上相关，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进行了详细研究，根据焊枪参数，获得的DE值在26.6％至58.5％之间。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，沉积效率很低，并且在飞行过程中加热不足也会导致涂层质量差。铬的熔点较高，Tm = 2334°C（2607K [39]），导热系数较低，由于单个颗粒的孔隙率，铬的导热系数进一步降低。由于热喷涂颗粒的停留时间非常短，因此必须使用较高的火焰温度来正确熔化颗粒。但是，这带来了另一个挑战：原料粉末的蒸发和高温火焰引起的DE下降。 [40]根据计算机模拟，当核保持固态时，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 =距进样口的距离）[39]（第373）关于热喷涂过程中氧化铬的汽化及其对沉积效率和涂层微观结构的影响的研究很少，而且这个问题在文献中很少涉及。从氧化铬颗粒流中蒸发掉的物质的实际数量很难估计，并且总是取决于粒度分布，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，陶瓷的蒸发和随后的蒸汽冷凝也得到了证实。结果类似于铁颗粒，YSZ粉末蒸发并冷凝成亚微米颗粒（粉尘）。测量颗粒浓度并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]该灰尘将积聚在基板上，并且与未融化的粒子在融化的液滴之间积聚。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将在各道次之间形成较差的粘合层，这将导致热喷涂氧化铬涂层的整体涂层内聚力降低和孔隙率分层。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 =