气体爆燃喷涂铁铝涂层显微结构研究

资源类型:pdf 资源大小:308.00KB 文档分类:工业技术 上传者:张海明

文档信息

【作者】 辛钢  高阳  黑祖昆 

【关键词】显微结构 铁铝合金 涂层 气体爆燃喷涂 

【出版日期】2005-04-10

【摘要】采用气体爆燃喷涂技术制备的铁铝涂层具有良好的耐蚀性能.该涂层与铁铝粉末原料相比较,其成分、结构均存在较大的差异.对该涂层的微观结构进行分析,能够为涂层的耐蚀性能研究提供可靠的实验依据.按照已确定的气体爆燃喷涂(DGS)工艺,制备了耐蚀的铁铝涂层.使用光学显微镜、XRD、TEM、电子探针分析了涂层的微观结构和各相的成分.结果表明,涂层中含有Fe4Al13、FeAl和Al2O3相;喷涂后原料粉末发生了复杂的相变,由Fe4Al13相大部分转变成为FeAl相组织和Al2O3合金颗粒,生成了非晶组织和细小晶粒组织;以上各相具有良好的耐腐蚀性能.

【刊名】大连理工大学学报

全文阅读

0 引 言铁铝基材料在高温环境下具有优良的防腐蚀和抗氧化性能,因此,其发展和应用成为研究的热点[1~3].铁铝合金的韧性较低,不易加工成型,因此在工业生产中不能被广泛采用.采用气体爆燃喷涂技术制备的铁铝涂层,具有良好的耐蚀性能,能应用于腐蚀环境中工件的表面[4].气体爆燃喷涂技术[5]是利用可燃气体爆燃产生的冲击波能量,将待涂覆的粉末加速加热,轰击到基体表面形成涂层的一种工艺.爆燃喷涂与其他热喷涂方法相比,其涂层孔隙率低,致密度和结合强度高.铁铝粉末在热喷涂形成涂层的过程中,经历了加热、熔融、氧化还原等一系列复杂的物理化学变化,因此气体爆燃喷涂形成的铁铝涂层与原料铁铝粉末相比较,其成分、结构均存在较大的差异.微观结构分析能为性能研究提供依据,这方面的工作国内外很少报道.本文在研究铁铝涂层耐蚀性能[6]的基础上,对耐蚀涂层结构进行深入的微观分析.1 实验方法本实验使用的铁铝喷涂材料粉末,是在氩气保护下,将工业纯铁和纯铝按物质的量比为1∶3.5混合,用高频电弧炉加热使之熔化,同时进行电磁搅拌,然后将合金熔液雾化、急冷形成的粉末,其颗粒直径为40~60μm,电子探针成分分析结果表明其Fe质量分数为38.7%,Al质量分数为61.3%,Al/Fe原子比约为3.33.根据对涂层耐锌腐蚀能力的实验研究,确定使用国产DN-2型气体爆燃喷涂设备喷涂铁铝涂层.最佳工艺条件:炮口与基体的距离为150mm,爆炸点火频率为6次/s,送粉气氮气的流量为12L/min,压缩空气压力为0.3MPa,氧气和乙炔的流量均为32L/min.在该工艺条件下,喷涂铁铝涂层的组织均匀,并且硬度值的波动小.在上述工艺条件下制备了铁铝涂层,用光学显微镜观察组织形貌,D/max-3A型XRD分析粉末和涂层的相结构,JCXA-733型电子探针分析涂层各相的成分,H-800型TEM分析涂层的微观结构.2 实验结果与讨论2.1 涂层的组织形貌铁铝涂层制成金相试样,在显微镜下放大50倍,拍摄涂层截面的显微组织照片.在涂层的金相照片中,白色层区域面积占了90%以上,如图1所示.图1 铁铝涂层截面组织照片(×50)Fig.1 Morphologyofthecross-sectionofFe-Alcoating(×50)2.2 铁铝涂层的X射线衍射分析使用X射线仪分析喷涂前的粉末材料、气体爆燃喷涂铁铝合金涂层,得到如图2所示的X射线衍射结果.分析衍射结果表明,喷涂前粉末材料主要是Fe4Al13相,爆燃喷涂后涂层主要为FeAl相及部分Al2O3和Fe4Al13相.(a)喷涂前Fe-Al粉末的XRD图谱(b)DGS喷涂Fe-Al层的XRD图谱图2 铁铝粉末和涂层的XRD图谱Fig.2 X-raydiffractionpatternsfromFe-Alpowderandcoating2.3 铁铝涂层的成分分析使用JCXA-733型电子探针对气体爆燃喷涂铁铝合金涂层进行成分分析,结果表明黑色层组织成分为Fe4Al13,与原料粉末的成分基本相同,白色层成分为Fe-Al金属间化合物和氧化物相.在气体爆燃喷涂形成涂层时,乙炔的流量少,反应产生的总能量也少,而粉末的供给是连续均匀的,由于爆炸产生的能量值间断升降,在两次爆炸的间隔时间里,粉末从气体爆炸反应获得的能量最少,粉末被加热熔化时,只能使颗粒的表层熔融,而且几乎不发生氧化反应,所以其成分基本不变,产生了黑色层组织,其成分与喷涂前粉末的成分相同.气体爆炸时,粉末获得的能量多,并使铝元素与氧气发生下列化学反应:4Al+3O2=2Al2O3+Q形成了白色层区域,并夹杂着薄的氧化物层和细小的氧化物颗粒.XRD衍射分析表明,该组织是FeAl和Al2O3相.喷涂前后材料的相组成由Fe4Al13变为FeAl和Al2O3.白色层组织主要由铁、铝两种元素组成,其中Fe、Al的物质的量比不确定,测试点的铁铝元素总含量不到70%,可能存在大量轻元素,根据实验过程判断,其为氧元素.2.4 铁铝涂层的TEM分析铁铝涂层很脆,并且硬度也较高,难以切割、研磨,很难用常规的制样方法来制备透射电子显微镜样品,本文用铁铝涂层的解理层制备电镜样品.控制喷涂时间,获得厚度小于30μm的铁铝涂层.剥离后的涂层用刀片小心切成=3mm的圆片,然后用铜环夹住,放入离子束双喷减薄设备中,离子轰击减薄,直至透射电镜能够观察到清晰的图像.使用H-800透射电子显微镜观察样品,发现气体爆燃喷涂获得的铁铝涂层的组织复杂,涂层中主要存在3种组织形态.如图3所示.涂层中的大部分组织形态如图3(a)所示,许多球形颗粒镶嵌于基体材料中.电子选区衍射分析结果表明,球形物为β-Al2O3相,底层均匀相为FeAl相.同时还发现,涂层中存在少量非晶组织,如图3(b)所示.此外,在晶粒的间隙发现细小的颗粒组织,电子衍射表明,该晶粒为Fe4Al13,同粉末的结构相同,如图3(c)所示.TEM的观察也表明,在气体爆燃喷涂过程中,粉末的成分部分发生变化,由Fe4Al13变化生成Al2O3相.喷涂时,铁铝粉末颗粒被加热、熔融,同时也获得了很高的动能,随后在高速气流的带动下,迅速撞击到冷的、较大的基底表面,骤冷形成涂层.该涂层组织中,原料粉末颗粒表面已经发生相变,形成非晶组织和细小晶粒组织.(a)FeAl和Al2O3相(b)非晶相(c)Fe4Al13相图3 铁铝涂层中各相的TEM形貌及其电子衍射图Fig.3 TheTEMmorphologyandelectrondiffractionpatternsofphasesintheFe-Alcoating3 结 论耐锌腐蚀的气体爆燃喷涂铁铝合金层微观组织由黑白两层组成,电子探针和XRD分析结果表明,涂层中黑色组织为Fe4Al13相,白色组织为FeAl和Al2O3相.TEM的观察证明了上述结论,喷涂后粉末由Fe4Al13相大部分转变为FeAl相组织和Al2O3合金颗粒.DGS喷涂后,原料粉末颗粒表面发生复杂的相变,出现非晶组织和细小晶粒组织.微观组织中的FeAl和Al2O3、Fe4Al13具有耐蚀性能,其耐蚀机理有待进一步研究.气体爆燃喷涂铁铝涂层显微结构研究@辛钢$大连理工大学化工学院!辽宁大连 116024 @高阳$大连海事大学材料工艺研究所!辽宁大连 116026 @黑祖昆$大连海事大学材料工艺研究所!辽宁大连 116026显微结构;;铁铝合金;;涂层;;气体爆燃喷涂采用气体爆燃喷涂技术制备的铁铝涂层具有良好的耐蚀性能.该涂层与铁铝粉末原料相比较,其成分、结构均存在较大的差异.对该涂层的微观结构进行分析,能够为涂层的耐蚀性能研究提供可靠的实验依据.按照已确定的气体爆燃喷涂(DGS)工艺,制备了耐蚀的铁铝涂层.使用光学显微镜、XRD、TEM、电子探针分析了涂层的微观结构和各相的成分.结果表明,涂层中含有Fe4Al13、FeAl和Al2O3相;喷涂后原料粉末发生了复杂的相变,由Fe4Al13相大部分转变成为FeAl相组织和Al2O3合金颗粒,生成了非晶组织和细小晶粒组织;以上各相具有良好的耐腐蚀性能.[1]GHUMANARP.Reactionmechanismsforthecoatingsformedduringthehotdippingofironin0to10PctAl-Znbathsat450℃to700℃[J].MetallTrans,1971,2:2903-2914. [2]CHENZW,SHARPRM,GREGORYJT.Fe-Al-Znternaryphasediagramat450℃[J].MaterSciandTechnol,1990,6:1173-1176. [3]齐育红,马永庆,张占平,等.Al铸铁抗锌液腐蚀机制研究[J].材料工程,1999(10):23-26. [4]辛钢,高阳,黑祖昆.高速火焰喷涂层耐锌腐蚀性能的比较[J].大连海事大学学报,2002,28:103-107. [5]胡社军.气体爆炸喷涂技术及其应用[J].国外金属热处理,1995,16(4):2-4. [6]辛钢,高阳,黑祖昆.高速火焰喷涂和气体爆燃喷涂铁铝涂层的比较[J].云南大学学报,2002,24(1):183-186.

1

问答

我要提问