昆山舒美分析基金屬玻璃粉體的晶化行為

0 引言

熱噴涂是指采用火焰、電弧、等離子等熱源將材料迅速 加熱至熔融、半熔融或熱塑態(tài)后，高速噴射至基體表面以獲 得具有特定應(yīng)用性能的材料表層的工藝過(guò)程，是目前制備合 金表面覆層的主要方法。熱噴涂技術(shù)在制備非晶材料方 面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)不僅可快速升溫熔化材料，同時(shí) 具有快速冷卻凝固材料的特征，有利于形成非晶相涂層。而 且采用熱噴涂技術(shù)既可以發(fā)揮熱噴涂?jī)?yōu)質(zhì)、高效、低成本的 優(yōu)勢(shì)，又可以獲得具有優(yōu)質(zhì)耐磨、防腐等性能的表面防護(hù)涂層。因此，采用熱噴涂技術(shù)制備鋁基非晶涂層是鋁基非 晶合金材料制備的新拓展，也是熱噴涂表面技術(shù)研究的重要 方向，具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)

采用氣體霧化法制備 Al86Ni6Y4. 5Co2La1. 5金屬玻璃粉體。 設(shè)備真空度達(dá)到 1 Pa 時(shí)開(kāi)啟感應(yīng)加熱，將母合金完全熔化， 精煉 20 min，再將熔體通過(guò)噴嘴釋放到霧化腔體中，開(kāi)啟高 壓( ～ 8. 1 MPa) 氬氣閥門，將熔體霧化成小液滴，小液滴在腔 體中快速冷卻形成不同粒度的粉體。 基體材料為 ZM5 鎂合金，試樣規(guī)格分為 20 mm×20 mm× 10 mm、Φ25. 4 mm×10 mm 兩種。在丙酮溶液中超聲波清洗 30 min 去除表面油污，采用棕剛玉噴砂提高試樣的表面粗糙 度。采用基于丙烷-空氣的低溫超音速噴涂系統(tǒng)制備涂層。 采用 Quanta 200 系列掃描電鏡( SEM) ，設(shè)置其管電壓為 15 kV，對(duì) Al 基金屬玻璃粉體和涂層的原始表面及經(jīng)打磨拋 光后的截面進(jìn)行觀察和分析; 采用 X 射線能譜儀( EDS) 對(duì)粉 體進(jìn)行元素分析。采用 Ｒigaku D /max2400 型 X 射線衍射儀 測(cè)試涂層的相組成，CuKα 為射線源，λ = 0. 154 2 nm，功率為 12 kW、管電壓為 50 kV、電流為 100 mA、步長(zhǎng)為 0. 02°。采用 Verdon 方法對(duì) XＲD 譜進(jìn)行 Pseudo-Voigt 函數(shù)擬合，并結(jié)合 DSC 試驗(yàn)測(cè)試，判定 Al 基金屬玻璃粉體沉積成層的溫度。 數(shù)值模擬 Al 基金屬玻璃粉體與丙烷-空氣、煤油-氧氣及高溫 空氣三種熱流的交互作用過(guò)程，采用 SprayWatch 4 型狀態(tài)監(jiān) 測(cè)儀測(cè)試不同熱流流場(chǎng)下的噴涂顆粒速度與溫度。

2 結(jié)果與討論

氬氣霧化制備的 Al86Ni6Y4. 5 Co2La1. 5合金粉末的粒度分布列于表 1，可見(jiàn)粒徑小于 45 μm 的粉末約占 80%，粒徑小于 25 μm 的粉末約占 40%。圖 1 為 Al86 Ni6Y4. 5 Co2La1. 5 氣霧化 合金粉末微觀組織的 SEM 圖像。由圖 1a 可見(jiàn)，粉末顆粒較 為均勻，基本呈球狀，表面光潔，有少量的衛(wèi)星球，具有較好 的流動(dòng)性。從局部放大圖 1b 中觀察不到任何襯度差別，初 步判斷粉末表面是較為均勻的金屬玻璃組織。由圖 1c 可 見(jiàn)，粉末邊緣存在大量的花瓣?duì)詈歪槧罹w相。

不同射流流場(chǎng)下 25 ～ 45 μm 噴涂顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、溫度 及速度變化如圖 5 所示。由圖 4 得到，定義射流入口溫度為 873 K 時(shí)，不同噴涂顆粒間存在較大的速度梯度，束流較為發(fā) 散; 顆粒溫度整體較低，最高尚未達(dá) 500 K; 顆粒速度相對(duì)較 低，約為 600 m / s。當(dāng)射流入口溫度為 2 017 K 時(shí)，不同噴涂 顆粒間的速度梯度最小，束流最為集中; 顆粒溫度整體較高， 最高約為 770 K; 顆粒速度較高，達(dá) 1 100 m / s。當(dāng)射流入口 溫度為 3 026 K 時(shí)，不同噴涂顆粒間的速度梯度較小，噴涂顆 粒束流較為集中; 顆粒溫度整體最高，最高近 1 400 K; 顆粒 速度相對(duì)最高，達(dá) 1 300 m / s。

3 結(jié)論

( 1) 在采用低溫超音速噴涂工藝制備 Al 基金屬玻璃涂 層的過(guò)程中，應(yīng)調(diào)控噴涂溫度，昆山舒美認(rèn)為減少 α-Al 相，避免出現(xiàn) Al+ TM 及 Al + ＲE 金 屬 間 化 合 物 相。同 時(shí)，結(jié) 合 Al86 Ni6Y4. 5- Co2La1. 5金屬玻璃粉體的熱力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，在采用低溫 超音速噴涂工藝過(guò)程中篩選粒徑為 25 ～ 45 μm 的粉末為噴 涂粒子，Al 基金屬玻璃粉體沉積成層溫度應(yīng)介于玻璃轉(zhuǎn)變溫 度 Tg 與有害金屬間化合物相析出溫度 Tx3之間，即其最佳的 臨界溫度閾值區(qū)間應(yīng)為 558 ～ 692 K。
( 2) 采用基于拉格朗日法數(shù)值模擬了 Al 基金屬玻璃粉 體與丙烷-空氣、煤油-氧氣及高溫空氣三種熱流交互作用的 氣固雙相流流場(chǎng)狀態(tài)，三類熱源熱流均使得噴涂顆粒產(chǎn)生了 顯著的加速與溫升效應(yīng)。以高溫空氣為熱源的粒子束流徑 向速度梯度最大，顆粒最大速度 為 660 ms－1 ，最高 溫 度 為 496 K。以丙烷-空氣為熱源的粒子束流徑向速度梯度最小， 顆粒最大速度達(dá) 1 111 ms－1 ，最高溫度達(dá) 774 K。以煤油-氧 氣為熱源的粒子束流徑向速度梯度較小，顆粒最大速度達(dá) 1 334 ms－1 ，最高溫度達(dá) 1 380 K。顆粒平均速度與最高溫度 的模擬值與測(cè)試值的相對(duì)誤差均小于 11%，基本能夠真實(shí)體現(xiàn)各熱流對(duì) Al 基金屬玻璃粉體加速與溫升效應(yīng)的影響。