超高強(qiáng)度鋼冷噴涂鋁涂層性能研究

　　宇波，湯智慧、孫志華、張曉云、陸峰、劉光勛、王長(zhǎng)亮、郭孟秋

　　北京航空材料研究院  北京 100095

　　個(gè)人介紹簡(jiǎn)歷

　　宇波，男，遼寧沈陽(yáng)人，1979年1月出生，1997年考入北京航空航天大學(xué)材料系攻讀本科學(xué)位，2001年于北航材料學(xué)院攻讀碩士學(xué)位，2004年4月畢業(yè)后到中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院第五研究室（金屬腐蝕與防護(hù)）參加工作。工作期間，主要從事金屬材料腐蝕性能研究與防護(hù)技術(shù)的研發(fā)及工程化應(yīng)用工作，承擔(dān)了多項(xiàng)科研機(jī)型號(hào)課題研發(fā)工作，對(duì)于不銹鋼、高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鈦合金等表面防護(hù)技術(shù)開展了深入的研究。作為第一作者在國(guó)內(nèi)核心期刊及全國(guó)性會(huì)議發(fā)表論文5篇，作為主要申請(qǐng)人申請(qǐng)發(fā)明專利3份，獲得部級(jí)科技成果獎(jiǎng)2項(xiàng)。

       宇波

       摘要：本研究采用冷噴涂技術(shù)在超高強(qiáng)度鋼表面制備純鋁涂層。研究分別采用掃描電鏡進(jìn)行涂層微觀分析、采用EDS對(duì)噴涂粉末及涂層成分進(jìn)行分析。涂層結(jié)合力采用彎曲法及劃格法進(jìn)行評(píng)價(jià)，涂層耐蝕性采用中性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行考核，冷噴涂工藝對(duì)疲勞性能的影響進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，冷噴涂工藝的氫脆性能采用延遲拉伸試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果顯示，冷噴涂鋁涂層微觀為層狀，涂層由純鋁構(gòu)成，孔隙率小于1%，涂層與基體具有良好的結(jié)合力，噴涂試樣中性鹽霧試驗(yàn)1000小時(shí)基體不腐蝕。疲勞試驗(yàn)證明冷噴涂鋁工藝對(duì)基體抗疲勞性能有所提高，同時(shí)噴涂工藝對(duì)基體氫脆性能無(wú)影響。

　　關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度鋼；冷噴涂；鋁涂層；耐蝕性；疲勞；氫脆

　　1 前言

　　冷噴涂技術(shù)（CS），又稱為低溫氣動(dòng)噴涂技術(shù)（CGDS），是近年來(lái)國(guó)內(nèi)、外正廣泛開展研究的一門表面處理技術(shù)^[1-2]。冷噴涂技術(shù)是將具有一定塑性的固態(tài)粒子通過高速氣流噴射到基體表面，固態(tài)粒子在與基體的撞擊作用下經(jīng)過強(qiáng)烈的塑性變形而發(fā)生沉積形成涂層的方法。高速粒子的產(chǎn)生是利用高壓氣體通過縮放管產(chǎn)生超音速流動(dòng)，將粉末粒子從軸向送入高速氣流中，粒子經(jīng)加速后，在完全固態(tài)下撞擊基體^[3-4]。

　　冷噴涂概念在上世紀(jì)80年代中期由俄羅斯氣動(dòng)專家發(fā)現(xiàn)并提出，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院理論及力學(xué)研究所在進(jìn)行超音速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子移動(dòng)速度達(dá)到某一臨界值，粒子便可以沉積在目標(biāo)材料的表面^[5-6]。到了2000年后，冷噴涂技術(shù)逐漸成為表面工程的一個(gè)研究熱點(diǎn)。俄羅斯、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)專家對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，已逐漸開始進(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用。

　　由于冷噴涂采用低溫氣體對(duì)涂層粒子進(jìn)行加速，因此冷噴涂技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如涂層適用范圍廣，能夠在在不同基體上噴涂金屬、合金、塑料等涂層；噴涂溫度低，涂層不易發(fā)生氧化及相變；涂層與基體結(jié)合緊密，孔隙率低；涂層與基體熱應(yīng)力小，對(duì)基體殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力……因此冷噴涂技術(shù)非常適用于對(duì)于表面處理技術(shù)要求較高的航空領(lǐng)域，以保證航空材料對(duì)于耐腐蝕、長(zhǎng)壽命不斷增長(zhǎng)的要求。本研究即對(duì)冷噴涂鋁技術(shù)進(jìn)行研究，通過在超高強(qiáng)度300M鋼進(jìn)行冷噴涂鋁涂層工藝，對(duì)冷噴涂鋁涂層的各項(xiàng)性能進(jìn)行考核。

　　2 材料、試驗(yàn)及結(jié)果

　　2.1 材料

　　試驗(yàn)基體材料選用超高強(qiáng)度鋼300M鋼，其名義成分如表1。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　表1  300M鋼名義成分　　

       噴涂粉末采用鋁顆粒，顆粒粒度為300目，球形，粉末的顯微形貌如圖1，由北京礦冶研究院提供，粉末鋁含量達(dá)到98%以上。冷噴涂過程在北京航空材料研究院的冷噴涂設(shè)備上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖2^[7]。

圖1 噴涂鋁粉顯微形貌

圖2  冷噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

　　1-超音速噴嘴；2-氣體加熱裝置；3-送粉器；4-空壓機(jī)；5-氦氣源；6-噴涂室；

　　7-試樣架；8-控制裝置；9-粉末回收裝置

　　2.2 試驗(yàn)和結(jié)果

　　2.2.1 涂層外觀與微觀

　　冷噴涂鋁涂層的微觀采用Quanta 600掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。由圖3可以看出，冷噴涂鋁涂層外觀為灰白色，涂層致密均勻。涂層在微觀形貌下較為平整、細(xì)致，涂層孔隙、夾雜物較少。涂層的表面存在橢球形顆粒，涂層內(nèi)部為層狀結(jié)構(gòu)，證明涂層在沉積過程中高速球形鋁粉在與基體碰撞過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形而成為扁平狀，在鋁粉的不斷沉積碰撞過程中，下層的鋁沉積層由于撞擊形成層狀結(jié)構(gòu)，而表層的鋁粉由于未發(fā)生連續(xù)撞擊，其截面為橢圓形。

圖3  低溫氣動(dòng)噴鋁宏、微觀形貌

　　
       2.2.2 涂層成分分析

　　使用能譜分析儀（EDS,Oxford INCAx-sight 6427）對(duì)冷噴涂鋁涂層的涂層成分進(jìn)行了分析，如圖4.冷噴鋁涂層中鋁含量為97.78%（重量），說(shuō)明冷噴涂工藝受到熱影響較小，金屬粉末被氧化的程度較低。

　　表2 鋁粉末與冷噴涂鋁涂層成分分析

　　2.2.3 涂層孔隙率

　　分別對(duì)冷噴涂涂層的表面及截面進(jìn)行孔隙率的分析測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3,涂層的截面形貌如圖5。從涂層的孔隙率結(jié)果可以看出，冷噴涂涂層具有非常小的孔隙率，說(shuō)明在高速顆粒碰撞沉積過程中由于不斷地撞擊非常緊密的連接在一起，形成了致密的涂層，涂層的低孔隙率無(wú)疑會(huì)在使用過程中為涂層帶來(lái)優(yōu)異的耐腐蝕性能。

　　表3  冷噴涂涂層表面、截面孔隙率

圖5冷噴涂鋁涂層截面形貌

　　
       2.2.4 涂層結(jié)合力

　　分別采用劃格法與彎曲法對(duì)涂層與基體的結(jié)合力進(jìn)行考核，考核結(jié)果如圖6。從劃格法考核結(jié)果可以看出，劃線交叉處未發(fā)現(xiàn)涂層的開裂、起皮等現(xiàn)象，說(shuō)明涂層與基體具有良好的結(jié)合力；采用彎曲法檢測(cè)，冷噴鋁涂層在彎曲后180°后未見裂紋，證明冷噴涂鋁涂層與基體具有較好結(jié)合力的同時(shí)，涂層具有較好的延展性能。

劃格法                          彎曲法
圖6 冷噴涂鋁涂層與基體結(jié)合力檢驗(yàn)　　
 

       2.2.5 涂層耐蝕性

　　冷噴涂鋁涂層具有低氧化率、低孔隙率的特點(diǎn)，因此其應(yīng)有較好的耐腐蝕性能。研究采用中性鹽霧試驗(yàn)對(duì)冷噴涂鋁涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行考察，結(jié)果如表4。從考察結(jié)果可以看出，冷噴涂鋁涂層具有非常好的耐腐蝕效果，噴鋁試樣表面在500h左右開始出現(xiàn)鋁涂層的腐蝕，而鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行1000h后仍未發(fā)生基體的腐蝕。

　　表 4  冷噴涂鋁涂層鹽霧腐蝕結(jié)果

鹽霧0h            鹽霧518h          鹽霧1000h
圖7  冷噴涂鋁涂層中性鹽霧檢驗(yàn)

       為了進(jìn)一步研究冷噴涂鋁涂層的耐蝕性能，研究對(duì)冷噴涂鋁、高速火焰噴涂鋁涂層的電化學(xué)性能進(jìn)行研究，通過極化曲線比較兩種涂層的耐蝕性能，結(jié)果如表5和圖8.冷噴涂鋁涂層的腐蝕電流大大低于高速火焰噴涂鋁涂層，而冷噴涂鋁涂層的腐蝕電位低于高速火焰噴涂鋁涂層。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明冷噴涂鋁涂層相比高速火焰噴涂鋁涂層可以更好地保護(hù)基體材料，冷噴涂涂層的腐蝕速度更慢，耐蝕性能更好。

　　表5 極化曲線試驗(yàn)結(jié)果

 

　　圖8  冷噴涂鋁涂層中性鹽霧檢驗(yàn)

　　2.2.6 冷噴涂鋁涂層對(duì)疲勞、氫脆性能影響

　　采用300M鋼作為基體材料，考察冷噴涂鋁工藝對(duì)基體疲勞性能、氫脆性能影響，噴涂后試樣如圖9。疲勞試驗(yàn)采取應(yīng)力值為400MPa~600MPa的范圍內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)力比R=-1，疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表6。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在高應(yīng)力狀態(tài)下，冷噴涂前后的基體疲勞性能基本一致，而當(dāng)?shù)蛻?yīng)力狀態(tài)下（500MPa以下），冷噴涂對(duì)基體的疲勞性能甚至有提高作用。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

疲勞試棒                  氫脆試棒　　
圖9  冷噴涂后的疲勞、氫脆試棒形貌

　　表6  300M基材及三種冷噴涂涂層疲勞測(cè)試結(jié)果

　　冷噴涂鋁工藝對(duì)300M鋼氫脆敏感性測(cè)試結(jié)果見表7，采用持久拉伸的方法對(duì)冷噴涂鋁涂層的缺口拉伸試棒進(jìn)行氫脆試驗(yàn)，持久拉伸200h后氫脆試棒均未發(fā)生斷裂，證明300M鋼冷噴涂鋁的氫脆性能滿足要求。

　　表7  冷噴涂鋁涂層氫脆測(cè)試結(jié)果

　　3 結(jié)論

　　（1）300M鋼冷噴涂鋁涂層，涂層外觀均勻、平整，涂層為片層狀結(jié)構(gòu)，孔隙率低于1%；

　　（2）冷噴涂鋁涂層成分主要由鋁構(gòu)成，涂層與噴涂粉末的成分基本一致，噴涂過程鋁涂層基本沒有氧化；

　　（3）冷噴涂鋁涂層與基體具有良好的結(jié)合力，采用劃格法及彎曲法均滿足性能要求；

　　（4）冷噴涂鋁涂層具有良好的耐蝕性能，采用中性鹽霧試驗(yàn)1000h未出現(xiàn)基體腐蝕，冷噴涂鋁涂層的耐蝕性能優(yōu)于高速火焰噴涂鋁涂層；

　　（5）300M鋼冷噴涂鋁涂層不會(huì)降低基體材料的疲勞性能，同時(shí)冷噴涂工藝對(duì)基體氫脆性影響滿足要求。

　　參考文獻(xiàn)

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