昆山舒美分析基金属玻璃粉体的晶化行为

0 引言

热喷涂是指采用火焰、电弧、等离子等热源将材料迅速 加热至熔融、半熔融或热塑态后，高速喷射至基体表面以获 得具有特定应用性能的材料表层的工艺过程，是目前制备合 金表面覆层的主要方法。热喷涂技术在制备非晶材料方 面具有独特的优势。该技术不仅可快速升温熔化材料，同时 具有快速冷却凝固材料的特征，有利于形成非晶相涂层。而 且采用热喷涂技术既可以发挥热喷涂优质、高效、低成本的 优势，又可以获得具有优质耐磨、防腐等性能的表面防护涂层。因此，采用热喷涂技术制备铝基非晶涂层是铝基非 晶合金材料制备的新拓展，也是热喷涂表面技术研究的重要 方向，具有深远的应用前景。

1 实验

采用气体雾化法制备 Al86Ni6Y4. 5Co2La1. 5金属玻璃粉体。 设备真空度达到 1 Pa 时开启感应加热，将母合金完全熔化， 精炼 20 min，再将熔体通过喷嘴释放到雾化腔体中，开启高 压( ～ 8. 1 MPa) 氩气阀门，将熔体雾化成小液滴，小液滴在腔 体中快速冷却形成不同粒度的粉体。 基体材料为 ZM5 镁合金，试样规格分为 20 mm×20 mm× 10 mm、Φ25. 4 mm×10 mm 两种。在丙酮溶液中超声波清洗 30 min 去除表面油污，采用棕刚玉喷砂提高试样的表面粗糙 度。采用基于丙烷-空气的低温超音速喷涂系统制备涂层。 采用 Quanta 200 系列扫描电镜( SEM) ，设置其管电压为 15 kV，对 Al 基金属玻璃粉体和涂层的原始表面及经打磨抛 光后的截面进行观察和分析; 采用 X 射线能谱仪( EDS) 对粉 体进行元素分析。采用 Ｒigaku D /max2400 型 X 射线衍射仪 测试涂层的相组成，CuKα 为射线源，λ = 0. 154 2 nm，功率为 12 kW、管电压为 50 kV、电流为 100 mA、步长为 0. 02°。采用 Verdon 方法对 XＲD 谱进行 Pseudo-Voigt 函数拟合，并结合 DSC 试验测试，判定 Al 基金属玻璃粉体沉积成层的温度。 数值模拟 Al 基金属玻璃粉体与丙烷-空气、煤油-氧气及高温 空气三种热流的交互作用过程，采用 SprayWatch 4 型状态监 测仪测试不同热流流场下的喷涂颗粒速度与温度。

2 结果与讨论

氩气雾化制备的 Al86Ni6Y4. 5 Co2La1. 5合金粉末的粒度分布列于表 1，可见粒径小于 45 μm 的粉末约占 80%，粒径小于 25 μm 的粉末约占 40%。图 1 为 Al86 Ni6Y4. 5 Co2La1. 5 气雾化 合金粉末微观组织的 SEM 图像。由图 1a 可见，粉末颗粒较 为均匀，基本呈球状，表面光洁，有少量的卫星球，具有较好 的流动性。从局部放大图 1b 中观察不到任何衬度差别，初 步判断粉末表面是较为均匀的金属玻璃组织。由图 1c 可 见，粉末边缘存在大量的花瓣状和针状晶体相。

不同射流流场下 25 ～ 45 μm 喷涂颗粒的运动轨迹、温度 及速度变化如图 5 所示。由图 4 得到，定义射流入口温度为 873 K 时，不同喷涂颗粒间存在较大的速度梯度，束流较为发 散; 颗粒温度整体较低，最高尚未达 500 K; 颗粒速度相对较 低，约为 600 m / s。当射流入口温度为 2 017 K 时，不同喷涂 颗粒间的速度梯度最小，束流最为集中; 颗粒温度整体较高， 最高约为 770 K; 颗粒速度较高，达 1 100 m / s。当射流入口 温度为 3 026 K 时，不同喷涂颗粒间的速度梯度较小，喷涂颗 粒束流较为集中; 颗粒温度整体最高，最高近 1 400 K; 颗粒 速度相对最高，达 1 300 m / s。

3 结论

( 1) 在采用低温超音速喷涂工艺制备 Al 基金属玻璃涂 层的过程中，应调控喷涂温度，昆山舒美认为减少 α-Al 相，避免出现 Al+ TM 及 Al + ＲE 金 属 间 化 合 物 相。同 时，结 合 Al86 Ni6Y4. 5- Co2La1. 5金属玻璃粉体的热力学参数测试结果，在采用低温 超音速喷涂工艺过程中筛选粒径为 25 ～ 45 μm 的粉末为喷 涂粒子，Al 基金属玻璃粉体沉积成层温度应介于玻璃转变温 度 Tg 与有害金属间化合物相析出温度 Tx3之间，即其最佳的 临界温度阈值区间应为 558 ～ 692 K。
( 2) 采用基于拉格朗日法数值模拟了 Al 基金属玻璃粉 体与丙烷-空气、煤油-氧气及高温空气三种热流交互作用的 气固双相流流场状态，三类热源热流均使得喷涂颗粒产生了 显著的加速与温升效应。以高温空气为热源的粒子束流径 向速度梯度最大，颗粒最大速度 为 660 ms－1 ，最高 温 度 为 496 K。以丙烷-空气为热源的粒子束流径向速度梯度最小， 颗粒最大速度达 1 111 ms－1 ，最高温度达 774 K。以煤油-氧 气为热源的粒子束流径向速度梯度较小，颗粒最大速度达 1 334 ms－1 ，最高温度达 1 380 K。颗粒平均速度与最高温度 的模拟值与测试值的相对误差均小于 11%，基本能够真实体现各热流对 Al 基金属玻璃粉体加速与温升效应的影响。