鋁合金表面等離子噴涂Al2O3-3%TiO2復(fù)合涂層工藝參數(shù)優(yōu)化的研究

吳艷鵬，魏劍輝，李文戈，趙遠(yuǎn)濤，顧彩香， 尹莉，Odhiambo J. Gerald,4

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鋁合金表面等離子噴涂Al2O3-3%TiO2復(fù)合涂層工藝參數(shù)優(yōu)化的研究

吳艷鵬1a,2，魏劍輝3，李文戈1a，趙遠(yuǎn)濤1a，顧彩香1a， 尹莉1b，Odhiambo J. Gerald1a,4

（1.上海海事大學(xué) a.商船學(xué)院 b.物流工程學(xué)院，上海 201306；2.中國(guó)船級(jí)社上海規(guī)范研究所，上海 200135；3.上海萬(wàn)澤精密鑄造有限公司 上海 201400；4.School of Mechanical, Manufacturing & Materials Engineering, Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology, P.O Box 62000-00200 Nairobi, Kenya）

通過(guò)優(yōu)化等離子噴涂工藝參數(shù)，提高鋁合金表面等離子噴涂Al2O3-3%TiO2復(fù)合陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度和涂層表截面硬度。用正交試驗(yàn)法，對(duì)影響噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度和硬度的4個(gè)關(guān)鍵噴涂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分別得到噴涂粘結(jié)底層Ni-5Al和工作表層Al2O3-3%TiO2的最佳優(yōu)化參數(shù)。通過(guò)正交試驗(yàn)確定影響Ni-5Al涂層綜合指標(biāo)的因素由主到次是噴涂電流、噴涂距離、輔氣流量、主氣流量，最優(yōu)水平數(shù)為2、3、2、1；影響Al2O3-3%TiO2涂層綜合指標(biāo)的因素由主到次是噴距、輔氣流量、電流、主氣流量，最優(yōu)水平數(shù)為2、3、2、1。Ni-5Al涂層的最佳噴涂工藝參數(shù)為：噴涂距離120 mm，噴涂電流520 A，主氣流量42 L/min，輔氣流量7.5 L/min。Al2O3-3%TiO2復(fù)合涂層最佳噴涂工藝參數(shù)為：噴涂距離90 mm，噴涂電流530 A，主氣流量46 L/min，輔氣流量7.8 L/min。最佳工藝下制備的Ni-5Al底層與基體的結(jié)合強(qiáng)度為25.2 MPa，Al2O3-3%TiO2復(fù)合涂層與Ni-5Al底層的結(jié)合強(qiáng)度為17.8 MPa，且其截面硬度在1000HV0.5以上。對(duì)噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以得到質(zhì)量高且穩(wěn)定的Al2O3-3%TiO2復(fù)合噴涂涂層，與非最佳工藝參數(shù)噴涂涂層相比，各指標(biāo)均有較大提高。

等離子噴涂；Al2O3-3%TiO2；工藝參數(shù)；正交試驗(yàn)；表面硬度；結(jié)合強(qiáng)度

陶瓷材料有很多優(yōu)良性質(zhì)，如耐磨耐蝕、隔熱耐高溫、絕緣耐高壓、硬度強(qiáng)度高、不易老化等[1-2]，而等離子噴涂技術(shù)[3-5]具有效率高、適用廣、沉積快的特點(diǎn)。兩者結(jié)合，在材料表面噴涂制備陶瓷涂層，可以在材料表面改性、表面強(qiáng)化和工程機(jī)械再制造中得到廣泛應(yīng)用[6-7]。其中Al2O3基陶瓷涂層是被研究較多的涂層，陳顥等[8]對(duì)等離子噴涂不同TiO2含量的Al2O3陶瓷涂層的顯微組織及性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TiO2含量越多，孔隙率越低，韌性提高。李興成等[9]在鎂合金上噴涂，發(fā)現(xiàn)覆蓋Al2O3-TiO2陶瓷涂層后，其耐蝕性和硬度得到明顯提高。何康康等[10]對(duì)比等離子噴涂得到的納米級(jí)Al2O3-13%TiO2陶瓷涂層與常規(guī)陶瓷涂層，發(fā)現(xiàn)在抗沖蝕性上前者比后者提高近30%。楊元政等[11]、王東生等[12]和徐承凱等[13]對(duì)等離子噴涂的Al2O3涂層進(jìn)行激光重熔，發(fā)現(xiàn)涂層組織更均勻，且涂層中Al2O3的穩(wěn)定相增多，硬度更高。

在Al2O3-TiO2（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AT）粉末的配比系列中，形成了TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、13%、20%、40%、50%等配比的產(chǎn)品，其中研究較多的是Al2O3-13%TiO2和Al2O3-40%TiO2。如王東生等[2]對(duì)納米級(jí)AT13粉末的等離子噴涂參數(shù)進(jìn)行研究以及劉前等[14]對(duì)AT40涂層進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)噴涂制備的涂層具有良好耐磨抗蝕性，對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械材料的修理和再制造有積極作用。宋仁國(guó)等[15]通過(guò)等離子噴涂納米級(jí)的AT40粉末，發(fā)現(xiàn)涂層顆粒呈彌散分布，并且涂層具有良好的耐磨性能。基體的選擇上，目前研究較多是軸類(lèi)的中、高碳鋼[16-17]，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[1]，及不銹鋼[7]、鎂合金[9]等。與AT13和AT40相比，AT3粉末中Al2O3的含量更高，一般涂層的顯微硬度隨Al2O3含量的增加而增加[18]，使用AT3粉末可以得到顯微硬度更高的表面涂層。涂層的質(zhì)量與噴涂工藝參數(shù)有直接關(guān)系，選擇最佳工藝參數(shù)噴涂可大幅度提高涂層質(zhì)量和涂層制備的穩(wěn)定性。方學(xué)鋒[19]通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，使Al2O3-45%TiO2涂層與基體的平均結(jié)合強(qiáng)度提高了9.4 MPa；王東生[2]使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)噴涂，使涂層結(jié)合強(qiáng)度提高近8 MPa，同時(shí)孔隙率更低；趙海敏[20]以最佳工藝參數(shù)熔噴WC-17%Co，制備出了外觀形貌良好、無(wú)缺陷的熔噴涂層，較非最佳參數(shù)下的涂層質(zhì)量明顯提高。

本文選用研究較少且預(yù)期其涂層硬度更高的Al2O3-3%TiO2粉末，在鋁合金基體上制備AT3復(fù)合陶瓷涂層，通過(guò)優(yōu)化影響涂層質(zhì)量的關(guān)鍵變量[21]，即噴涂參數(shù)，得到較高質(zhì)量的AT3復(fù)合涂層，以期拓展Al2O3- TiO2陶瓷涂層的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

涂層材料由兩部分組成。粘結(jié)底層粉體材料是由Oerlikon Metco公司生產(chǎn)的Metco 450NS鎳基復(fù)合粉末Ni-5Al，其粒度為(90±45) μm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：92%~93.5% Ni，4.0%~5.5% Al，其他2.5%。工作表層粉體材料是Metco 101NS復(fù)合粉末Al2O3- 3%TiO2粉末，其粒度為(45±11) μm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：94.0% Al2O3，2.5% TiO2，2.0% SiO2，1.0% Fe2O3及其他成分。基材為6061鋁合金，其尺寸為90 mm×90 mm×5 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用Metco UnicoatPro 7M型大氣等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，以Ar為主氣，H2為輔氣，Ar為載流氣，噴涂機(jī)械手為日本FANUC Robot M-20iA型，噴槍型號(hào)為F4MB-XL。前期實(shí)驗(yàn)表明，噴涂的主要影響參數(shù)為噴距、電流、主氣Ar及輔氣H2流量，因此選擇這4個(gè)主要工藝參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因素，因素水平見(jiàn)表1、表2。采用4因素3水平的L9(34)配置因素與水平數(shù)方案表，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，如表3。除噴涂電壓不固定，隨電流大小、Ar和H2流量大小的不同而不同外，固定設(shè)置的參數(shù)為：噴槍直線擺動(dòng)速率為2000 mm/min；粘結(jié)底層載氣Ar流量為4.0 L/min，工作表層為5.5 L/min；粘結(jié)底層送粉率為52.2 g/min，工作表層為42.3 g/min；涂層厚度控制在粘結(jié)底層約為120 μm和工作表層約為23 0 μm的范圍。噴涂前，先對(duì)鋁合金基材表面做超聲波清洗并蒸發(fā)至干燥，再用粒徑0.613 mm的白剛玉對(duì)噴涂面進(jìn)行噴砂粗化處理。

表1 粘結(jié)底層工藝影響因素與水平數(shù)

Tab.1 Influencing factors and levels of adhesive bottom layer

表2 工作表層工藝影響因素與水平數(shù)

Tab.2 Influencing factors and levels of working surface layer

表3 4因素3水平正交試驗(yàn)表

Tab.3 Orthogonal test form of four factors and three levels

1.3 分析及測(cè)試方法

采用上海泰明HXD-2000TM/LCD數(shù)字式顯微硬度儀測(cè)試基體和涂層的截面顯微硬度，施加標(biāo)準(zhǔn)載荷和保持時(shí)間，分別為4.9 N和10 s，在橫截面上從基體到工作表層連續(xù)打點(diǎn)，測(cè)其硬度值。

采用山東中儀WDW-300K電腦控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，將噴涂試樣的基體和涂層兩側(cè)分別與拉伸棒粘接成如圖1所示的對(duì)偶拉伸試樣。采用3M公司E-7 AB膠進(jìn)行粘結(jié)并固化，以0.5 mm/min的速度勻速拉伸待測(cè)試樣。測(cè)試3組試樣，結(jié)果取平均值。結(jié)合強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

H=M/(1)

式中：是斷面截面積（mm2）；M是最大載荷值（N）；H是計(jì)算得到的結(jié)合力值（MPa）。

圖1 拉伸試樣示意圖

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘結(jié)底層Ni-5Al

每組實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共計(jì)27個(gè)試樣，記錄每個(gè)試樣的顯微硬度值與結(jié)合強(qiáng)度值，并計(jì)算其平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4分別得到以表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度為指標(biāo)的正交試驗(yàn)與極差分析表，如 表5、表6。

表4 粘結(jié)底層各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.4 Experimental data in each group of adhesive bottom layer

表5 粘結(jié)底層正交試驗(yàn)與極差分析（硬度指標(biāo)）

Tab.5 Orthogonal test and range analysis of adhesive bottom layer (hardness index)

表6 粘結(jié)底層正交試驗(yàn)與極差分析（結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)）

Tab.6 Orthogonal test and range analysis of adhesive bottom layer (bonding strength index)

表5為關(guān)于涂層表面硬度的正交試驗(yàn)與極差分析結(jié)果。極差反映了因素的作用大小，大小反映因素作用的主次[2]。對(duì)噴涂電流、噴涂距離、主氣流量、輔氣流量4個(gè)因素進(jìn)行極差計(jì)算，對(duì)應(yīng)的極差值分別為26.0、21.0、17.3、19.7。因此對(duì)涂層硬度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，首要影響因素是噴涂電流，第二影響因素是噴涂距離，輔氣和主氣流量的影響依次次之。對(duì)于某因素水平數(shù)的選取主要看其對(duì)應(yīng)平均值的大小，取其高者，故噴涂電流的最優(yōu)水平數(shù)為3，噴距的為2，Ar和H2流量的最優(yōu)水平數(shù)為3。

同樣，從表6可以看到，噴涂電流、噴涂距離、主氣流量、輔氣流量4個(gè)因素對(duì)應(yīng)的極差分別為7.5、5.2、4.3、4.4。故對(duì)于結(jié)合強(qiáng)度的影響大小，首要影響因素是噴涂電流，第二影響因素是噴涂距離，輔氣和主氣流量的影響依次次之。同樣因素水平對(duì)結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)影響大小看其平均值大小，取最大值對(duì)應(yīng)的水平數(shù)，可知噴涂電流的最優(yōu)水平數(shù)為3，噴距的為2，主氣流量取水平2，輔氣流量取水平3。

圖2和圖3分別是以表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度為指標(biāo)的4因素效應(yīng)關(guān)系圖。由正交表結(jié)果知道噴涂電流、距離、主氣流量、輔氣流量4個(gè)因素影響指標(biāo)的大小順序是一致的，且噴涂電流和距離的優(yōu)化水平是一樣的，都為水平3、水平2。圖2和圖3中也可看到電流、噴距各水平對(duì)兩指標(biāo)的影響趨勢(shì)基本一致。此外，主氣Ar流量在水平2時(shí)，兩指標(biāo)同時(shí)得到較高值；輔氣H2流量在水平3時(shí)，兩指標(biāo)同時(shí)得到最大值。綜合兩指標(biāo)來(lái)看，主輔氣流量的水平數(shù)分別選擇2、3。

圖2 粘結(jié)底層因素效應(yīng)關(guān)系圖（結(jié)合硬度指標(biāo)）

圖3 粘結(jié)底層因素效應(yīng)關(guān)系圖（強(qiáng)度指標(biāo)）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以上分析，選擇表7的參數(shù)作為打底粘結(jié)層Ni-5Al的等離子噴涂工藝參數(shù)。

表7 粘結(jié)底層的優(yōu)化參數(shù)

Tab.7 Optimization parameters of the adhesive bottom layer

2.2 工作表層Al2O3-3%TiO2

表8是在使用最佳工藝參數(shù)噴涂粘結(jié)底層的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步噴涂表層Al2O3-3%TiO2后，測(cè)試9組實(shí)驗(yàn)（27個(gè)試樣）所得結(jié)果。

表8 工作表層各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.8 Experimental data in each group of working surface layer

表9、表10分別是指標(biāo)為表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度的正交試驗(yàn)結(jié)果分析表。表9中噴涂電流、噴涂距離、主氣流量、輔氣流量4個(gè)因素的極差值分別為148.2、224.8、117.75、100.1。因此因素對(duì)表面硬度指標(biāo)的影響大小為：噴涂距離>噴涂電流>Ar流量>H2流量。某因素水平對(duì)指標(biāo)的有利程度與水平的平均值成正比，從表9可知，噴涂電流、噴距和主輔氣流量4因素的優(yōu)化水平應(yīng)分別為2、2、1、3。

表9 工作表層正交試驗(yàn)與極差分析（硬度指標(biāo)）

Tab.9 Orthogonal test range analysis of working surface layer (hardness index)

表10 工作表層正交試驗(yàn)與極差分析（結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)）

Tab.10 Orthogonal test range analysis of working surface layer (bonding strength index)

從表10可以看到，電流、噴距、Ar與H2流量4因素的極差值依次是2.8、3.7、2.7、3.2，因此對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，噴涂距離影響最大，其次是輔氣流量，然后依次是噴涂電流與主氣流量。同樣，從表10可知，噴涂電流、距離、主氣流量、輔氣流量4個(gè)因素的優(yōu)化水平應(yīng)分別為2、2、1、3。

圖4、圖5分別是表面硬度指標(biāo)和結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)的4因素效應(yīng)關(guān)系圖。從圖4、圖5可以看出，噴距和電流對(duì)兩指標(biāo)的影響一致，都是先增大后減少。在噴槍的噴涂距離從70 mm增加到110 mm的過(guò)程中，開(kāi)始階段噴距較短，噴涂粉末在未獲得足夠的加熱時(shí)間以進(jìn)行充分的熔化之前就達(dá)到基體試樣表面，且粒子的加速過(guò)程也短，不能達(dá)到最大速度，使得其獲得的動(dòng)能較小，不能對(duì)基體產(chǎn)生有效的沖擊力；另外由于距離過(guò)短，離子焰炙烤基體表面，易在涂層結(jié)合區(qū)出現(xiàn)過(guò)熱氧化現(xiàn)象，降低涂層質(zhì)量，所以在此綜合影響下，結(jié)合強(qiáng)度較低。當(dāng)距離大于最佳距離90 mm時(shí)，粒子的加速過(guò)程已完成，在超過(guò)取得最大速度的距離時(shí)，熔融粒子的速度會(huì)減小，同時(shí)焰流和熔融粒子的溫度也會(huì)下降，兩者使得熔融粒子的動(dòng)能減少，達(dá)不到對(duì)基體應(yīng)有的撞擊效果，結(jié)合力隨之下降。

圖4 工作表層因素效應(yīng)關(guān)系圖（結(jié)合硬度指標(biāo)）

圖5 工作表層因素效應(yīng)關(guān)系圖（強(qiáng)度指標(biāo)）

涂層硬度的大小也與噴涂粒子的熔融狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)噴涂粒子的熔融狀態(tài)、潤(rùn)濕性較好時(shí)，其到達(dá)基體表面時(shí)的能量高、撞擊效果好，層間堆疊致密，氣孔和雜質(zhì)孔隙較少，涂層硬度增加。在這一要求下，一定范圍內(nèi)噴涂電流的增加能夠使粒子達(dá)到更好的熔融狀態(tài)和撞擊堆疊效果，所以在500 A到530 A范圍內(nèi)，逐漸提高噴涂電流值，涂層的硬度值也增大。但噴涂電流過(guò)高（能量過(guò)大），將直接影響到基材溫度、熔融粒子的飛濺程度，導(dǎo)致氣孔和夾渣產(chǎn)生；另外高溫下保護(hù)氣不足，氧化物生成增加，涂層質(zhì)量變差。

主輔氣流量對(duì)等離子焰流有影響，主氣流量直接影響火焰能量密度和氣焰流速。在一定范圍內(nèi)，主氣流量的增加有助于粒子獲得更高的撞擊動(dòng)能，而輔氣配合使用，能調(diào)節(jié)溫度和噴涂功率[19]。表9中主輔氣極差值差別相對(duì)較小，表明對(duì)表面硬度的影響差別較小。從圖4中也可看出來(lái)，當(dāng)主輔氣流量在3個(gè)水平變化范圍內(nèi)時(shí)，顯微硬度值在1000~1125HV0.5之間，變化并不大。從圖5可以看到，主輔氣流量在3個(gè)水平變化范圍內(nèi)，結(jié)合強(qiáng)度變化大，表明其對(duì)結(jié)合強(qiáng)度影響顯著，需優(yōu)先參考其最優(yōu)水平數(shù)。

從各個(gè)因素和水平對(duì)涂層硬度值的影響來(lái)看，除了一些參數(shù)嚴(yán)重偏離，使硬度值與其他數(shù)據(jù)差別過(guò)大外，大部分的數(shù)值差別不大，維持在200HV0.5左右。說(shuō)明參數(shù)對(duì)涂層硬度指標(biāo)的影響不敏感，在保證合適的能量密度和噴涂效果時(shí)，其硬度值差別不大，這表明對(duì)涂層硬度來(lái)說(shuō)，噴涂材料本身的性質(zhì)起到?jīng)Q定性作用。基于此，在分析確定因素影響主次關(guān)系和水平數(shù)的過(guò)程中，可以在因素水平對(duì)兩指標(biāo)主要影響趨勢(shì)基本一致的情況下，優(yōu)先選擇對(duì)結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)的提高更有利的水平數(shù)。

對(duì)比表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度的極差大小，綜合以上對(duì)兩指標(biāo)的4因素各水平影響效應(yīng)分析，確定各因素的主次關(guān)系為噴距>H2流量>電流>Ar流量，最優(yōu)水平數(shù)為2、3、2、1，即為表11所示。

表11 工作表層優(yōu)化后參數(shù)

Tab.11 Optimization parameters of working surface layer

3 優(yōu)化參數(shù)的驗(yàn)證與分析討論

用最佳工藝參數(shù)（見(jiàn)表7）制備6組Ni-5Al粘結(jié)底層試樣，并進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試，得到結(jié)合力數(shù)值如表12所示。在最佳工藝參數(shù)（表11）下，制備6組Ni-5Al粘結(jié)底層與Al2O3-3%TiO2工作層試樣，并進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試，得到結(jié)合力數(shù)值如表13所示。

由表12可知，相比于表4中試樣，采用最佳工藝參數(shù)噴涂的Ni-5Al試樣的結(jié)合力有一定的提高。由表13看出，最佳工藝參數(shù)下噴涂Ni-5Al底層與Al2O3-3%TiO2工作層的試樣，其強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與正交 試驗(yàn)九個(gè)實(shí)驗(yàn)組中的最大值（平均值）17.8 MPa持平，說(shuō)明在此參數(shù)下，噴涂試樣得到的結(jié)果是最好的。但對(duì)比只噴涂粘結(jié)底層的結(jié)合力，發(fā)現(xiàn)噴涂完工作表層Al2O3-3%TiO2后，其結(jié)合強(qiáng)度有較大幅度的下降，由25.2 MPa下降到了17.7 MPa，這與涂層厚度的增加導(dǎo)致應(yīng)力集中和不同材料物性不匹配有關(guān)[9]。

最佳工藝參數(shù)和非最佳工藝參數(shù)下噴涂的涂層截面圖如圖6。可見(jiàn)非最佳工藝參數(shù)下有較多的未熔融顆粒鑲嵌在涂層中，孔隙率高（圖6a）；而最佳工藝參數(shù)下涂層熔融狀態(tài)好，只有細(xì)微裂紋，涂層質(zhì)量得到提高（圖6b）。

表12 粘結(jié)底層強(qiáng)度值

Tab.12 Strength value of adhesive bottom layer

表13 表層強(qiáng)度值

Tab.13 Strength value of surface layer

圖6 工藝優(yōu)化前后涂層截面SEM圖

對(duì)最佳工藝參數(shù)噴涂的試樣，在截面上從基體處向工作表層連續(xù)打點(diǎn)測(cè)試硬度，結(jié)果如圖7。工作界面結(jié)合區(qū)（300 μm處）的右側(cè)是基體，硬度穩(wěn)定在620HV0.5左右，左側(cè)是粘結(jié)底層到工作表層的硬度曲線，硬度值較基體逐漸升高，表層的硬度保持在1000HV0.5以上，這與Al2O3高硬度陶瓷材料的物理特性吻合。

圖8a、b分別是噴涂參數(shù)優(yōu)化前后的涂層表面對(duì)比圖。從圖8a可以看出，非最佳工藝參數(shù)下噴涂的試樣，其表面粒子的熔融狀態(tài)不是很好，存在鑲嵌于涂層里的半熔化顆粒，涂層的扁平化堆疊效果一般，層間縫隙和空洞較多。從圖8b中可以看出，優(yōu)化的工藝參數(shù)下，粒子的熔融狀態(tài)和堆疊效果較好[22-23]。這是由于在優(yōu)化工藝下，粒子的流動(dòng)性和扁平效應(yīng)得到提升，涂層較平滑，裂紋較少，相較于非最佳工藝參數(shù)其噴涂質(zhì)量有一定的提升。

圖7 涂層截面硬度曲線

圖8 工藝優(yōu)化前后涂層表面SEM圖

4 結(jié)論

1）以涂層表面硬度與結(jié)合強(qiáng)度為綜合指標(biāo)進(jìn)行極差分析，發(fā)現(xiàn)4因素對(duì)粘結(jié)底層和工作表層的影響大小次序是不同的。影響Ni-5Al涂層綜合指標(biāo)的因素由主到次是噴涂電流、噴涂距離、輔氣流量、主氣流量，最優(yōu)水平數(shù)為2、3、2、1；影響Al2O3-3%TiO2涂層綜合指標(biāo)的因素由主到次是噴距、輔氣流量、電流、主氣流量，最優(yōu)水平數(shù)為2、3、2、1。

2）對(duì)等離子噴涂Al2O3-3%TiO2復(fù)合涂層優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)，粘結(jié)底層Ni-5Al為：噴涂電流=520 A，噴涂距離=120 mm，H2流量=7.5 L/min，Ar流量=42 L/min。工作表層Al2O3-3%TiO2為：噴涂距離=90 mm，H2流量=7.8 L/min，噴涂電流=530 A，Ar流量=46 L/min。

3）用優(yōu)化后的參數(shù)噴涂制備Al2O3-3%TiO2復(fù)合陶瓷涂層，粘結(jié)底層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到25.2 MPa，表層達(dá)到17.8 MPa。在最佳工藝參數(shù)下進(jìn)行噴涂，粒子的流動(dòng)性和扁平化效應(yīng)較好，涂層較平滑，裂紋較少，相較于非最佳工藝參數(shù)，其噴涂質(zhì)量得到提升。

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Optimization of Plasma Spraying Process Parameters for Al2O3-3%TiO2Composite Coating on Aluminum Alloy

1a,2,3,1a,1a,1a,1b,1a,4

(1. a.Merchant Marine College, b.School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2.Shanghai Institute of Specifications of China Classification Society, Shanghai 200135, China; 3.Shanghai Wanze Precision Casting Co., Ltd, Shanghai 201400, China; 4.School of Mechanical, Manufacturing & Materials Engineering, Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology, P.O Box 62000-00200 Nairobi, Kenya)

The work aims to improve the bonding strength and surface and section hardness of the Al2O3-3%TiO2composite coating on aluminum alloy matrix by plasma spraying through the optimization of plasma spraying process parameters. Four key spraying parameters affecting the bonding strength and surface hardness of spray coating were optimized by orthogonal test, thus the optimal parameters of adhesive bottom coating Ni-5Al and working surface Al2O3-3%TiO2were obtained respectively. The order of factors influencing the adhesive bottom coating quality was current, distance, H2and Ar flow, and the preferable level was 2, 3, 2 and 1. The main sequence of factors influencing the comprehensive index of working surface coating was spray distance, H2flow, current and Ar flow, and the optimal horizontal number was 2, 3, 2 and 1. The best spraying parameters of the adhesive layer Ni-5Al were: spraying distance of 120 mm, spraying current of 520 A, Ar flow of 42 L/min and H2flow of 7.5 L/min. The optimal spraying parameters of Al2O3-3%TiO2composite coating were: 90 mm spray distance, 530 A spray current, 46 L/min Ar flow and 7.8 L/min H2flow. The bonding strength of the bottom layer reached 25.2 MPa and 17.8 MPa at the surface coating. The mean hardness of the optimized working surface coating was above 1000HV0.5. High quality and stable Al2O3-3%TiO2composite coating can be obtained by optimizing the spraying process parameters. Compared with coating prepared by the non-optimal spraying process parameters, each index of the coating quality is greatly improved.

plasma spraying; Al2O3-3%TiO2; process parameters; orthogonal test; optimization; surface hardness; bonding strength

2018-12-27；

2019-04-15

WU Yan-peng (1990—), Male, Master, Research focus: ship machinery repair, material surface treatment technology.

李文戈（1966—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楸砻嫱繉优c再制造技術(shù)、材料腐蝕與防護(hù)、金屬基復(fù)合材料。郵箱：liwenge66@163.com

TG174.442

A

1001-3660(2019)06-0322-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.06.039

2018-12-27；

2019-04-15

上海市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金-工業(yè)強(qiáng)基項(xiàng)目（jj-yjcx-01-17-1799）

Supported by Shanghai Industrial Transformation and Upgrading Development Special Fund-Industrial Base Project (jj-yjcx-01-17-1779)

吳艷鵬（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇瑱C(jī)修造、材料表面處理技術(shù)。

LI Wen-ge (1966—), Male, Doctor, Professor, Research focus: surface coating and remanufacturing technology, material corrosion and protection, metal matrix composite material. E-mail: liwenge66@163.com