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    涂覆工藝方法和涂覆厚度對金屬基陶瓷涂層高溫抗氧化性能的影響

    發布日期:2014年3月23日

    涂覆工藝方法和涂覆厚度對金屬基陶瓷涂層高溫抗氧化性能的影響:

    金屬基陶瓷涂層是結合金屬材料和陶瓷材料的各自優點而制備的一種新型復合材料,它不僅可以苛刻環境中對材料的某種要求,同時也可以擴大金屬材料、陶瓷材料的應用范圍。

    實驗采用料漿法制備高溫合金基陶瓷涂層。研究了涂覆方法(刷涂、浸漬和噴涂)和涂覆厚度對陶瓷涂層試樣高溫抗氧化性能的影響規律,旨在通過對不同涂覆工藝方法和涂覆厚度進行研究和優化,為高溫合金基抗氧化陶瓷涂層在工程機械、石油化工和陶瓷生產等領域的應用提供基礎研究。

    實驗部分

    粘結料制備

    陶瓷粘結料的原料配方組成如表1所示,按配方組成配制后混合均勻,然后置于坩堝中在高溫爐(1400 - 1520℃)中熔制、水淬、干燥、破碎后備用。

    料漿制備與涂覆

    (1)料漿制備

    陶瓷粘結料與 Cr2O3或重燒M g0按質量比分別為1 :0.5和1:0.3配制涂層料,涂層料與水的質量比為1 :0.5,并外加3%的水玻璃作為粘結劑,使其充分混合成均勻的料漿后備用。

    (2)合金基體的預處理

    高溫合金基體經過切割(規格為40mm×40mm× 4mm)、打磨、堿洗、酸洗等表面預處理,在風箱中干燥后備用。

    (3)料漿的涂覆

    采用料漿刷涂、浸漬和噴涂工藝施于合金表面,涂料層厚度分別約為50μm、I00μm、200μm,涂敷后的試樣經干燥后備用。 涂層料的熔燒

    試樣的高溫熔燒在馬弗爐中進行,根據高溫合金的物化性能以及陶瓷涂層料與高溫合金之間結合性能的要求,采用優化的熔燒制度如圖1所示。

    試樣性能表征

    采用質量增加法來表征涂層試樣的抗氧化性能。把檢測試樣在1200℃的馬弗爐中保溫不同的時間,用試樣實驗前、后的質量增加率來表征其抗氧化性能,具體計算公式如下:

    △M=(M1-M0)/M0

    公式巾:△M:試樣氧化質量的增加率/%

    M0:試樣的起始質量/g

    M1:試樣氧化后的質量/g

    采用掃描電子鼎微鏡(SEM,JSM-6700F型)對涂層試樣的界面結構和形貌進行觀察。

    結果分析與討論

    涂覆方式對涂層試樣高溫抗氧化性能的影響

    不同涂覆方式所得試樣在1200℃條件下,經過30h 抗氧化的實驗結果如圖2所示。從圖中可以看出,三種涂覆方法所制備的涂層對金屬基體均具有明顯的氧化保護作用,并且在三種涂覆方式中,噴涂方法所得的試樣的高溫抗氧化效果最好,其次是浸漬和刷涂。如Cr203質涂層中,浸漬與刷涂試樣的氧化增重率比噴涂的分別增加了80%和120%;同樣在重燒Mg0質的涂層中,分別增加32%和58%;此外,在相同的涂覆方法條件下,Cr203 質涂層抗氧化能力要優于重燒Mg0質涂層。

    產生這一實驗結果的原因為,噴涂能夠使料漿霧化均勻,在基體表面形成均勻的料漿涂層,在熔燒時能夠很好地包裹合金基體,而浸漬涂覆由于金屬基體不吸水,在重力影響下使料漿涂覆厚薄不均,導致在熔燒時涂層不能均勻、完全地覆蓋于金屬基體的表面;而刷涂會引起涂層表面出現高低不等的條紋,出現與浸漬法一樣的結果,使涂層試樣的抗氧化性能的下降。對于Cr203質涂層抗氧化能力要優于重燒Mg0質涂層,主要是由于涂層的致密性不同引起的,從圖3兩種涂層截面的SEM照片可以看出,Cr203質涂層結構致密性要明顯優于重燒 M g0質涂層,且界面處生成了合適的中間層,從而增加氧氣在涂層中的擴散阻力,導致涂層的抗氧化能力提高。 涂層厚度對試樣高溫抗氧化性能的影響

    涂層厚度對試樣高溫抗氧化性能影響的實驗結果如圖4所示。從圖中可以看出,兩種試樣隨著涂層厚度的增加,試樣的抗氧化能力逐漸增強,如涂層厚度由 1OOμm增加到300μm,兩種涂層試樣的氧化能力增加 16 - 26%之間。因此,適當地提高涂層厚度有利于抗氧化性能的提高。其原因為涂層厚度的增加,可以增加氧氣在涂層中的擴散路程,從而減小了對涂層試樣的氧化速度。此外,隨著涂層厚度的增加,會導致涂層試樣抗熱震性能的降低,因此,綜合涂層試樣的高溫抗氧化能力和抗熱震性能考慮,涂層厚度在100 - 200μm是比較合適的。 結論

    (1)三種涂覆工藝所制備的涂層均可以有效提高試樣的高溫抗氧化能力,其中噴涂法所制備試樣高溫抗氧化能力最件,比浸漬和刷涂法所制備涂層試樣的抗氧化能力提高30-120%;

    淄博市百瑞通精密陶瓷有限公司獨家報道

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