激光重熔Al2O3-TiO2涂层的界面结合及划痕破坏失效行为

来源:上海工程技术大学材料工程学院作者:李崇桂

分别采用Metco130粉末及纳米结构Al2O3-13%TiO2可喷涂粉末通过等离子喷涂技术在Ti-6Al-4V(TC4)钛合金表面制备了喷涂态涂层,并利用CO2激光器对涂层进行了激光重熔。采用光学金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)等分析手段研究了激光重熔前后涂层的微观组织,并采用压痕法和划痕试验研究了涂层的结合状态和划痕破坏失效行为。在界面附近进行破坏性压痕试验表明,两种喷涂态涂层与基体的界面处都产生了裂纹,而激光重熔涂层与基体的界面可保持完好。划痕试验表明,重熔涂层的破坏程度明显低于喷涂态涂层,喷涂态涂层的划痕破坏形式表现为较严重的脆性断裂和剥层破坏,而重熔涂层主要为局部脆性断裂。

随着高温、高速和重载等极端服役环境持续增长,关键工程构件的可靠性及服役寿命已引起了材料科学家及工程人员的极大关注。钛及钛合金具有高比强度、高熔点、低密度及较好的耐蚀性能,其作为高强轻质材料被广泛应用于航空、航天、船舶、化工和军事工业等众多产业。但是,钛及钛合金具有硬度低、摩擦系数高和耐磨性差等缺点,从而严重限制了其进一步的广泛应用。因此,研究者们尝试采用了多种表面工程技术在钛合金表面制备了表面保护涂层,如热氧化、物理气相沉积、等离子喷涂和微弧氧化等,其中的等离子喷涂技术因焰流温度高、适用材料种类多样及稳定性好等优点而广受关注。等离子喷涂Al2O3和Al2O3-TiO2陶瓷涂层因其优异的热学、化学和力学稳定性表现出良好的耐磨和耐蚀性能,已获得了广泛应用。对此类涂层进行激光重熔,可改善其与基体之间的结合状态及其内部组织,进一步提升其综合性能。

近年来,随着纳米科技的飞速发展,研究人员开展了纳米涂层的研究工作。与传统微米结构涂层相比,纳米结构涂层具有更优异的表面性能。现有研究表明,等离子喷涂纳米结构Al2O3-13%TiO2涂层具有相比于同类微米涂层更为优异的强度、韧性和耐磨抗蚀性能。目前,对喷涂态纳米结构Al2O3-TiO2涂层已开展了一些初步的研究工作。

本文的研究工作旨在通过分析该涂层在激光重熔前后的结合状态及划痕失效行为,重点研究激光重熔在改善涂层组织结构、界面结合和抗划痕破坏能力方面的作用。

1、实验材料及方法

1.1、涂层制备

采用9M等离子喷涂系统通过大气等离子喷涂技术在TC4合金表面分别制备等离子喷涂微米结构Metco130涂层和纳米结构Al2O3-13%TiO2涂层。喷涂之前,对基体材料进行表面净化、喷砂及预热等预处理。具体的喷涂工艺参数为:电压65V、电流600A、主气Ar压力0.69MPa、次气H2压力0.38MPa、Ar流速2000L/h、送粉率1000~1500g/h、喷涂距离100mm。

激光重熔试验在DL-HL-T5000型5kW横流CO2激光器上进行。该激光器额定功率为5000W,激光波长为10.6μm,激光器配有四轴CNC工作台,采用PLC计算机控制。进行重熔试验之前,试件经除油处理。具体的激光重熔工艺参数为:激光功率600~1200W,光斑直径3.5mm,扫描速度600~1400mm/min。为简便起见,激光重熔涂层记为LRmC,微米和纳米结构重熔涂层分别记为C-LRmC和N-LRmC。

1.2、组织结构和性能表征

采用MC80DX型光学显微镜对涂层进行金相观察。采用Quanta200型扫描电子显微镜(SEM)进行显微组织观察。

采用压痕法对激光重熔前后涂层与基体间的结合状态进行表征。所采用的设备为山东莱州华银试验仪器有限公司生产的HV-5型维氏硬度计。试验采用四棱锥形压头,压痕打在涂层与基体界面处的基体一侧,如图1所示。所用载荷为3kg,保压时间为15s。利用WS-2005型涂层自动划痕仪测试了激光重熔前后涂层的抗划痕性能。测试之前,分别对等离子喷涂涂层和激光重熔涂层进行表面打磨抛光,使其具有0.1μm的表面粗糙度,然后在丙酮溶液中对试样进行超声清洗。划痕仪上的划针安装有洛氏金刚石压头,锥角为120°,尖端半径为0.2mm。划痕试验过程中采用线性连续加载的方式,主要试验参数列于表1中。

激光重熔前后涂层的结合状态表征方法示意图

图1 激光重熔前后涂层的结合状态表征方法示意图

划痕试验主要参数

表1 划痕试验主要参数

1)激光重熔可消除喷涂态Al2O3-13%TiO2涂层中的孔隙和层状堆垛结构的特征,获得均匀致密的内部组织,且重熔涂层与基体形成了良好的冶金结合状态;

2)压痕试验表明,喷涂态涂层的界面在压痕力作用下产生了裂纹,而激光重熔涂层与基体之间的界面仍保持良好的冶金结合;

3)划痕试验表明,激光重熔涂层的破坏程度明显低于喷涂态涂层,喷涂态涂层的划痕破坏形式表现为较严重的脆性断裂和剥层破坏,而重熔涂层主要为局部脆性断裂。此外,纳米结构重熔涂层的抗划痕剥落能力强于微米结构重熔涂层。