噴涂距離對等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層結構性能的影響

李 力

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噴涂距離對等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層結構性能的影響

李 力

（北京動力機械研究所，北京 100074）

采用等離子噴涂技術制備了Al2O3陶瓷涂層，噴涂距離分別為90mm、105mm和120mm。利用XRD、SEM對涂層的微觀結構進行了表征，并分析了涂層的力學性能和絕緣性能。結果表明，涂層相結構主要為γ-Al2O3，隨噴涂距離的增大，涂層中孔隙率增大，涂層的顯微硬度和結合強度性能降低，絕緣性能也降低。

等離子噴涂；氧化鋁涂層；噴涂距離；力學性能；絕緣性能

1 引言

電機軸承的“電蝕”問題導致軸承磨損失效，不僅增加維修成本，造成經濟損失，而且不安全。解決電蝕的主要問題是采用陶瓷噴涂絕緣軸承。近年來，國際上一些大的軸承廠商開始推出絕緣軸承產品，如SKF公司的INSOCOAT軸承產品、奧地利NKE公司的電絕緣滾動軸承，陶瓷氧化物絕緣具有至少1000V直流或交流電壓的耐壓強度，但價格昂貴。國內幾大軸承廠都在開發這種絕緣軸承，但處于試驗階段，還沒有在市場上推出正式產品[1]。

Al2O3陶瓷介電常數大，體積電阻率大，介質損耗小，耐熱沖擊強度大，具備絕緣材料所有的良好性能。因此，常采用A12O3作為絕緣軸承涂層材料。此外，A12O3涂層還具有良好的抗磨、耐熱和耐腐蝕等性能。

目前，一般采用等離子噴涂制備A12O3絕緣涂層。許多研究者開展了噴涂工藝參數、基體溫度和粉末粒徑等對Al2O3涂層的顯微結構和性能的影響研究。但是，關于噴涂距離如何影響涂層的顯微結構和力學性能、絕緣性能的報道還甚少。本文研究了噴涂距離對涂層組織結構和性能的影響。

2 實驗

2.1 涂層制備

噴涂設備為Sulzer Metco公司生產的MultiCoat大氣等離子噴涂系統，主要由ABB機械手、F4等離子噴槍、Twin120送粉器、PCC控制柜和電源柜組成?；w材料為GCr15軸承鋼，噴涂粉末采用北京礦冶研究總院研制的Al2O3，牌號為KF-240F，粉末粒度為(-45+20)μm。噴涂前采用白剛玉砂對軸承鋼基體表面進行噴砂處理，并制備NiAl底層以提高陶瓷涂層與基體的結合強度。底層金屬粉末采用沈陽金屬研究所研制的Ni20Al，粉末粒度為(-109+53)μm。涂層結構為：0.1mm底層+0.2mm面層。具體噴涂工藝參數如表1所示。噴涂距離為90mm、105mm、120mm條件下制備的涂層分別標記為A1、A2和A3涂層。

表1 大氣等離子噴涂氧化鋁涂層工藝參數

2.2 涂層組織結構和性能表征

采用Rigaku Ultima IV X 射線粉末衍射儀對涂層物相進行分析，步長0.02°，掃描速度2°/min，掃描范圍10°～90°。采用掃描電鏡觀察涂層的表面形貌和截面組織。采用顯微硬度計測試了涂層的維氏顯微硬度，測試條件為載荷500gf、保持時間20s。結合強度根據HB5476-91熱噴涂涂層結合強度試驗方法測定，制備24mm×6mm標準噴涂試樣，拉伸速率為2mm/min。涂層的絕緣性能采用耐壓試驗，記錄擊穿電壓，測試條件為：采用直徑6mm對75mm電極，升壓速度500v/s。

3 試驗結果及討論

3.1 涂層相結構分析

涂層表面的X-射線衍射圖譜見圖1。在30°～40°范圍有饅頭峰，表明涂層中呈現非晶態結構，這是由于等離子噴涂過程中，熔融粒子碰撞基體表面扁平化有的冷卻速度較高（陶瓷粒子一般達到104～106℃/s），非平衡快速結晶凝固。涂層中出現了大量的γ-Al2O3，而噴涂粉末自身則為穩定的α-Al2O3。α-Al2O3為穩定的三方晶結構，γ-Al2O3為準穩態的立方晶結構。一般而言，熔融的Al2O3在冷卻階段，由于γ-Al2O3的核形成壁壘能量低于α-Al2O3，因此，會發生α-Al2O3向γ-Al2O3的轉變。

圖1 等離子噴涂Al2O3涂層的XRD圖

3.2 涂層顯微結構分析

三種涂層截面的金相照片見圖2。A1、A2和A3三種涂層的孔隙率分別為5.9%、8.2%和12%。且A3涂層中出現較多的大孔。這可能是隨著噴涂距離的增大，小粒徑的粉末在焰流中停留時間長，燒損較多，剩余相對較大粒徑的粉末變形后由于缺少填充，產生較多的孔隙和較大的孔隙。圖3為三種涂層的表面形貌。相比A3涂層，A1和A2涂層堆積更為致密，涂層表面更為平滑。

圖2 等離子噴涂Al2O3涂層的截面組織

圖3 等離子噴涂Al2O3涂層的表面形貌

3.3 涂層的力學性能

涂層的顯微硬度、結合強度性能數據見表2。可以看出，三種涂層中，A1、A2涂層的顯微硬度和結合強度明顯高于A3涂層。一般來說，涂層孔隙率的增加、致密度較差會導致涂層顯微硬度、結合強度等力學性能的降低。

表2 等離子噴涂Al2O3涂層的顯微硬度和結合強度

3.4 涂層的絕緣性能

涂層的擊穿電壓測試結果見表3。擊穿電壓均大于2kV?？紫堵实慕档停兄谕繉咏^緣性能提高，即相同的條件下，涂層的擊穿電壓較大。噴涂距離較遠時，涂層孔隙率較高，因此擊穿電壓降低，涂層的絕緣性能下降。

表3 等離子噴涂Al2O3涂層的擊穿電壓

4 結束語

采用等離子噴涂工藝制備了Al2O3陶瓷涂層，研究不同噴涂距離對涂層結構和性能的影響。試驗結果表明，隨著噴涂距離的增大，涂層的沉積速度下降，孔隙率增大，涂層的顯微硬度和結合強度會下降，涂層的絕緣性能也下降。

1 孫鑫. 電機軸承陶瓷絕緣涂層的制備技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009

Influences of Spray Distances on Microstructure and Properties of Alumina Coatings

Li Li

(Beijing Power Machinery Research Institute, Beijing 100074)

The Al2O3coatings are prepared by using atmosphere plasma spraying at different spray distances; the distances are 90mm, 105mm and 120mm specula. The coatings’ microstructure is characterized by XRD and SEM, and the mechanical performance and insulation property are analyzed. The results show that the phase of the coatings is mainly γ-Al2O3, the porosity ratio increased with increasing spray distances, the micro hardness and bonding strength decreased, and the insulation property also decreased.

plasma spraying；Al2O3coating；spray distance；mechanical performance；insulation property

李力（1973），高級工程師，機械制造工藝與裝備專業；研究方向：發動機制造技術與管理。

2017-05-24