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稀有金属 2016,40(08),751-755 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.08.002

等离子喷涂镍层片组织与织构的EBSD研究

郑振环 李强

福州大学材料科学与工程学院

摘 要：

等离子喷涂层片是形成涂层的基本单元,研究层片的形貌及显微结构对涂层的工艺优化和质量控制都具有重要意义。本研究在1Cr13不锈钢基底上采集了等离子喷涂的Ni层片,采用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)研究了基底温度对层片形貌、晶粒大小和晶体取向分布的影响,并由晶粒大小计算了层片和基底间的接触热阻。研究结果表明:300 K基底上采集的层片为飞溅状,层片晶粒尺寸和接触热阻沿着径向方向变化不大,平均值分别为2.75μm和2.98×10^-6m²·K·W^-1。在573 K基底上采集的层片近似圆盘状,层片晶粒尺寸沿着径向近似线性增大,中心和边缘处分别为0.92和1.98μm;接触热阻沿着径向逐渐增大,中心和边缘分别为9.80×10^-7和2.29×10^-6m²·K·W^-1。两种基底上采集的层片都存在<100>织构。由于573 K基底上采集的层片冷却速度快,具有更强的<100>织构。

关键词：

等离子喷涂;基底温度;层片;显微组织;织构;

中图分类号： TG174.44

作者简介：郑振环(1981-),男,福建莆田人,博士研究生,研究方向:等离子喷涂;E-mail:zhenhuan@fzu.edu.cn;;李强,教授;电话:0591-22866531;E-mail:qli@fzu.edu.cn;

收稿日期：2015-03-05

基金：福建省质量技术监督局科技项目(FJQI2013077)资助;

EBSD Study on Microstructure and Texture of Plasma Sprayed Nickel Splats

Zheng Zhenhuan Li Qiang

School of Materials Science and Engineering,Fuzhou University

Abstract：

In plasma spraying process,the splats are building blocks of the whole coating. Thus,studies on the morphology and microstructure of splats are essential to coating process optimization and quality control. In this paper,the effect of substrate temperature( Ts) on the morphologies,grain size and texture of plasma sprayed Ni splats collected on 1Cr13 stainless steel was investigated by scanning electron microscope( SEM) and electron-backscattered diffraction( EBSD),while the thermal contact resistance between splat and substrate was calculated according to the grain size. For Ts= 300 K,the splat morphology was splashing shape. The grain size and thermal contact resistance had few changes along the radial direction of splat,and their average values were 2. 75 μm and 2. 98× 10^-6m²·K·W^-1,respectively. On the contrary,when the splat was at Ts= 573 K,it showed disk-like type. The grain size increased linearly along the radial direction of splat,and the values of central and peripheral region were 0. 92 and 1. 98 μm,respectively. Also,the thermal contact resistance increased gradually along the radial direction of splat,and the values of central and peripheral region were 9. 80 × 10^-7 and 2. 29 × 10^-6m²·K·W^-1,respectively. The splat collected at both substrate temperatures had < 100 >texture. Due to the higher cooling rate,the splat at Ts= 573 K had stronger < 100 > texture than that at Ts= 300 K.

Keyword：

plasma spraying; substrate temperature; splat; microstructure; texture;

Received： 2015-03-05

等离子喷涂具有工艺适用性广、涂层种类多等特点,在工业各个领域都有广泛应用 ^[1] 。喷涂过程中,喷涂粉末经等离子射流加热熔化,加速后撞击至预处理基底上,在极短的时间铺展、凝固形成层片,层片不断堆叠形成涂层。作为涂层的基本单元,层片的形貌、组织,层片间以及层片和基底间的结合状态对最终涂层的性能具有重要影响 ^[2] 。许多工作者研究了基底条件(表面粗糙度、温度和材质) ^[3,4,5,6] ,熔滴的状态(大小、温度、速度和撞击角度) ^[7,8] 以及喷涂环境 ^[9] 等对层片形貌的影响。其中,基底温度对层片的形貌影响十分显著。在室温基底上采集的层片呈指状飞溅;当基底温度提高至转变温度T_t时,形成的层片为规则圆盘状。圆盘状层片所对应的涂层结合强度比室温基底下制备的高几倍 ^[10] 。研究层片形貌随基底温度发生转变的机制对涂层的组织和质量控制都具有重要意义。层片在凝固时的冷却速度可达1×10⁸K·s^-1,属于快速凝固过程,所形成的柱状晶十分细小并存在一定的择优取向 ^[5] 。明确层片中的晶粒大小以及织构有助于认识层片形貌随基底发生转变的机制。与常规金相法相比,电子背散射衍射(EBSD)分析具有更好的分辨率且能获得晶粒的取向;比起透射电镜(TEM),EBSD测试区域大,统计性更好 ^[11] 。目前,利用EBSD研究层片的组织与织构,特别是基底温度对其影响的相关报道较少。

文中在不锈钢基底上采集了等离子喷涂的Ni层片,通过扫描电镜(SEM)和EBSD研究基底温度对层片的形貌、晶粒大小和取向分布的影响,并由晶粒大小计算层片与基底间的接触热阻,认识层片形貌的转变机制、凝固特性以及织构的形成,为涂层的质量控制提供参考。

1 实验

喷涂粉末采用长沙天久金属材料有限公司生产的Titd-QNi型Ni粉,纯度≥99.8%,粒径45~106μm,平均为68μm,形貌见图1。基底为1Cr13不锈钢,尺寸18 mm×18 mm×3 mm,表面经研磨、抛光至镜面。喷涂使用APS-2000型大气等离子喷涂设备,喷涂工艺为:工作气体Ar+H₂,主气(Ar)流量45 L·min^-1,弧电流500 A,弧电压60 V,喷涂距离120 mm,送粉载气(Ar)流量5 L·min^-1,送粉量0.8 kg·h^-1。基底温度设定为300和573 K,采用电炉加热至设定温度后,立即采集层片。采用自制的快门型采集装置采集层片。

图1 Ni粉的形貌Fig.1 SEM image of morphology of Ni powder

采集的层片表面未做处理,直接采用Zeiss SUPRA55型扫描电子显微镜(SEM)观察层片的形貌。采用电镜附带的Oxford Nordlys Max型EBSD系统进行取向分析。300 K基底上的采集区域为45μm×15μm,步长0.100μm;573 K基底上采集区域70μm×20μm,步长0.075μm。利用HKL Channel5软件包对晶粒取向数据分析,获得极图、晶界图、晶粒大小统计以及取向差分布。

2 结果与讨论

2.1 基底温度对层片形貌的影响

图2为层片形貌,从图2可知300 K基底上采集的层片中心近似圆盘状,四周为环状飞溅物;573 K基底上采集的层片近似圆盘状,层片边缘存在少量指状飞溅。利用图像分析软件对每个基底上20个层片的直径进行了统计。通过体积近似原则计算了层片的厚度H:H≈4/3πd_p³/S_s,其中d_p为熔滴的直径,近似等于粉末的平均直径;S_s为层片上表面的面积。300 K基底上,层片(含飞溅物)的S_s由图像分析软件获得;573 K层片的S_s由直径根据面积公式计算。300 K基底上中心圆形层片的平均直径为109μm,厚度为3.87μm;573 K基底上层片的平均直径为278μm,厚度为2.70μm。

基底表面的吸附物/冷凝物是层片造成飞溅的主要原因 ^[4,5] 。由于喷涂是在大气中进行,基底在300 K时,其表面存在大量的吸附物/冷凝物。当温度很高的熔融喷涂材料撞击基底时,吸附/冷凝层在热的作用下瞬间脱附并急剧膨胀,在熔体和基底的界面处形成小气孔,使层片和基底间的接触热阻较大,铺展边缘的熔体传热不够快,粘度无法快速上升,从而失稳脱离层片形成飞溅 ^[4,5] 。而基底预热至573 K时,吸附物/冷凝物在熔滴撞击基底前已经脱附,因此熔滴和基底间的润湿性提高,层片更易在基底上铺展,所以层片更薄,铺展边缘能够迅速传热凝固,从而无铺展飞溅 ^[5] 。

2.2 基底温度对层片中晶粒取向的影响

层片的EBSD分析结果见图3,所测试的区域如图2(b,d)中方框所示。两种基底采集的层片中晶粒在垂直基底表面(ND)方向主要为[100]取向,表现为<100>织构。在300 K基底上采集的层片中还有少量非[100]取向的晶粒,因此573 K基底上采集的层片具有更强的<100>织构。金属Ni属于立方晶系,{100}是枝晶的择优生长晶面。层片凝固过程中热流垂直于基底表面,因此晶粒沿着基底表面垂直生长,[100]晶向的柱状晶生长速度快,从而在层片中形成<100>织构。如前面分析,300 K基底上的层片与基底接触热阻较大,且接触不均匀,造成部分晶粒冷却速度较慢而无法满足[100]的择优生长条件。

图2在300和573 K基底上采集的层片形貌Fig.2 SEM images of morphologies of Ni splats collected on substrate at(a)300 K,(b)Enlargement of marked area in(a),(c)573 K,(d)Enlargement of marked area in(c)

图3 层片ND方向的取向图和极图Fig.3 Inverse pole figure orientation maps and pole figures of splats collected on substrate at(a)300 K,(b)(100)pole figure cor-responding to(a),(c)573 K,(d)(100)pole figure corresponding to(c)

图4是两种层片中晶粒取向差分布。对比可知,晶界取向差小于45°的分布两者相差不大。但573 K基底采集的层片中没有存在大于45°的取向差。提取了300 K基底层片中取向差大于45°的晶界,结果见图5。结合图3(a)可知其这些大于45°晶界主要是[100]取向和非[100]取向晶粒之间的界面。

图4层片中晶界取向差分布Fig.4 Boundary misorientation angles distribution for splat collected on substrate at(a)300 K and(b)573 K

2.3 基底温度对层片中晶粒大小和接触热阻的影响

利用Channel5软件,在层片径向上等间隔取10μm×10μm区域进行晶粒大小统计,其结果见图6。300 K基底上层片中晶粒大小沿着径向变化不大,范围在2.6~2.9μm之间,平均值为2.75μm;在573 K基底采集的层片晶粒在中心处大小为0.92μm,沿着径向方向近似线性增大,边缘处为1.298μm,约为中心的两倍。根据快速凝固的经验公式,层片中晶粒大小d/μm和冷却速度Q/(K·s^-1)可以由下式计算 ^[12] :

图5 300 K基底上层片中取向差大于45°的晶界Fig.5 Grain boundary for misorientation angles higer than 45°in splat collected on substrate at 300 K

图6层片中晶粒尺寸沿径向上的分布Fig.6 Grain size distribution along radial direction of splats

根据牛顿冷却近似,层片的冷却速度和界面接触热阻R_c存在如下的关系 ^[13] :

式中,T_p是熔滴的温度,设定为Ni的熔点;T_s是基底温度;C_p是层片的比热容;ρ是熔体的密度;H是层片的厚度,设定为实验值。熔体的热参数见文献 [ 14] 。根据式(1)和(2)计算得到的层片冷却速度和界面接触热阻见图7。300 K基底上采集的层片冷却速度和界面接触热阻在径向上变化不大,平均值分别为3.64×10⁷K·s^-1和2.98×10^-6m²·K·W^-1。573 K基底上采集的层片冷却速率在中心处为1.24×10⁸K·s^-1,沿着径向方向逐渐减小,至边缘处为5.18×10⁷K·s^-1;层片接触热阻则沿着径向方向逐渐增大,中心和边缘处分别为9.80×10^-7和2.29×10^-6m²·K·W^-1。Zhang等 ^[15] 发现,当Mo熔滴与基底间接触热阻较大时,层片凝固过程中的形核延迟时间接近熔滴铺展完成的时间;当熔滴和基底间接触热阻很小时无形核延迟。可以推测在300 K基底上,Ni层片中晶粒形核延迟时间长,层片倾向在铺展完成后整体形核长大,因此晶粒大小在径向上变化不大。而在573 K基底时,接触热阻较小,熔滴边铺展边凝固。在熔滴铺展初期,熔滴撞击产生的压力很大,层片和基底间接触紧密,熔体冷却快,凝固形核率大,晶粒细小;随着铺展的进行,撞击压力得到释放,在径向上的接触逐渐变差,熔体的冷却速度变小,凝固形核率变小,晶粒粗化。

图7 层片冷却速率和接触热阻沿径向上的分布Fig.7 Cooling rate and thermal contact resistance distribution along radial direction of splats

3 结论

1.在1Cr13不锈钢基底上采集的等离子喷涂Ni层片,基底温度为300 K时层片形呈飞溅状,中心近似圆盘状,平均直径为109μm,厚度3.87μm;基底温度为573 K时,层片近似圆盘状,平均直径278μm,厚度2.70μm。

2.两种基底温度上采集的层片都存在<100>织构,573 K基底上采集的层片织构更强。300 K基底上采集的层片中取向差大于45°,晶界主要分布在[100]取向和非[100]取向的晶粒之间。

3.在300 K基底上采集的层片晶粒大小和界面接触热阻沿着径向变化不大,平均值分别为2.75μm和2.98×10^-6m²·K·W^-1。573 K基底采集的层片晶粒在中心处大小为0.92μm,沿着径向方向近似线性增大,边缘处为1.98μm,约为中心的两倍;层片接触热阻则沿着径向方向逐渐增大,中心和边缘处分别为9.80×10^-7和2.29×10^-6m²·K·W^-1。

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