熱處理工藝對HOVF制備磁致伸縮涂層組織及性能的影響*

戚青麗，沈功田，鄭 陽，潘晴川，黃松嶺

(1. 中國特種設備檢測研究院 北京 100029； 2. 清華大學 電機系 北京 100084)

0 引 言

基于磁致伸縮材料的焦耳效應，其在驅動器、換能器以及傳感器等領域具有廣泛地應用[1-2]。磁致伸縮導波是一種新型的無損檢測技術[3]，具有檢測范圍大、能實現非接觸檢測，適應高溫腐蝕等惡劣環境下工作，其換能效率雖然低于壓電傳感器，但是其高檢測精度仍然能滿足絕大多數的檢測需求，而磁致伸縮材料是導波傳感器的關鍵元件。目前應用比較廣泛的磁致伸縮帶材導波傳感器是通過粘接劑將帶磁致伸縮材粘貼在被檢測試件上，但是在高溫等惡劣環境下粘接劑容易失效，不能實現長期在線監測，并且受磁致伸縮帶材韌性的限制不適用于大曲率、不規則復雜構件的檢測[4-7]。為了改善磁致伸縮帶材導波傳感器監測成本高、適用對象具有局限性這一難題，近年來，國內外的研究單位通過噴涂技術在待檢測試件上沉積磁致伸縮涂層，并進行導波檢測[8-11]，結果表明磁致伸縮涂層導波可以適用于大曲率、不規則部件的無損檢測，且克服了帶材導波檢測對耦合劑的依賴。

截止目前，有關磁致伸縮涂層導波的相關文獻國內外雖已有報導，但是有關磁致伸縮涂層的進一步研究卻很少。

因此，本文研究熱處理工藝對磁致伸縮涂層的組織和性能的影響，基于Fe-Ga磁致伸縮材料具有磁機械耦合效應高、低場敏感性強的特點[12-14]，本文選擇Fe-Ga作為實驗材料，采用超音速火焰噴涂技術制備Fe-Ga涂層，并研究退火過程中，Fe-Ga涂層的微觀組織演變和性能變化。

1 實 驗

1.1 涂層制備和熱處理工藝

采用氣霧化法制備Fe83Ga17磁致伸縮粉末[15]，基于超音速火焰噴涂技術(HOVF)結合強度高、耐磨性好、硬度高、孔隙率低的特點[16-17]，通過HOVF技術制備Fe-Ga涂層，研究500 μm厚Fe-Ga涂層熱處理過程中的微觀組織及性能演變。將涂層樣品封在3.04×10-4Pa氬氣氣氛的石英管中，在箱式爐中分別隨爐升溫到300 、400 、500、600和700 ℃保溫1 h，水淬冷卻至室溫。

1.2 涂層組織及性能表征

退火態Fe-Ga涂層樣品經過機械打磨和拋光后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析涂層的微觀組織變化，并使用Image-Pro?Plus軟件計算涂層的平均孔隙率。在面積為4 mm×3 mm掃描區域，捕獲電子背散射衍射(EBSD)花樣，并通過EBSD對涂層的反極圖(IPF)和取向分布函數圖(ODF)進行分析，進而對退火過程中Fe-Ga涂層內部殘余應力的變化進行定性分析。基于Bragg(布拉格)方程，利用X射線衍射儀(XRD)分析退火過程中Fe-Ga涂層的相結構變化。利用JDAW-2011磁致伸縮測試儀，通過電阻應變片法，沿平行于涂層平面方向施加外加磁場，測量退火態Fe-Ga涂層的磁致伸縮系數。

2 結果與討論

2.1 沉積態Fe-Ga涂層的微觀組織和相結構

圖1(a)表示粒徑為30～50 μm Fe-Gaa氣霧化粉末的SEM形貌。可以看出，粉末顆粒表面光滑，具有良好的球形度，在噴涂過程中具有良好的流動性。圖1(b)和(c)為Fe-Ga涂層的表面形態和微結構，涂層由層狀結構、未熔化的顆粒(見圖1(b)的頂部插圖)、不同形狀的孔隙、裂縫和一些氧化物等其他雜質組成。在噴涂過程中，小顆粒完全熔化，而一些未完全熔化的大顆粒與基底碰撞并變成橢圓形，這些變形的大顆粒在沉積到基底時被熔融的顆粒包裹，如圖1 (c)中的箭頭所示，因此層狀結構的出現取決于粉末的熔化狀態。由于顆粒與基體之間存在溫差(約100～200 ℃)，顆粒會迅速凝固并與基體結合。在顆粒的邊界和涂層與基材的界面處也可以觀察到裂紋和孔隙，可能是由于在快速凝固過程中，粉末顆粒和基體之間存在錯配產生殘余應力造成的。

圖1 Fe-Ga粉末和涂層的SEM形貌圖Fig 1 SEM morphologies of Fe-Ga powder and coating

涂層孔隙率采用Image-Pro?Plus軟件進行計算，圖像分析的詳細過程和機制可以參考[18]。如圖1(d)所示，Fe-Ga涂層呈層狀結構，有大量部分熔化和完全熔化的顆粒組成，導致孔隙的出現，并且孔隙率數據分布比較分散。因此從Fe-Ga涂層的橫截面SEM圖中，隨機選取20張放大1000倍的微觀組織圖，采用Image-Pro?Plus軟件對涂層內部的孔洞和裂紋等缺陷進行標記，最后統計多張SEM圖的孔隙率取平均值，得到Fe-Ga涂層的平均孔隙率大概小于1.6%。

圖2 (a)表示Fe-Ga涂層橫截面的SEM圖像；(b)是與(a)對應的EBSD掃描圖像，其中(100)、(110)和(111)分別表示晶粒的取向Fig 2 (a) SEM micrograph showing cross-section of Fe-Ga coating and (b) the corresponding EBSD scanned image. Where (100), (110) and (111) indicates grains orientation, respectively

圖2(a)為Fe-Ga涂層橫截面的SEM圖。涂層經過拋光、打磨后，在濃度為10%的硝酸酒精溶液中侵蝕10～20 s。部分熔化的顆粒表面出現了晶界和類似晶界的褶皺，表明粉末顆粒為多晶顆粒，噴涂過程中，高速粒子撞擊基底快速凝固導致顆粒發生變形，內部出現殘余應力。為分析Fe-Ga涂層內部的應力和取向性，獲取涂層橫截面的EBSD菊池花樣，如圖2(b)所示，熔化顆粒的邊部黑色為采集盲區，高速粉末顆粒撞擊基體引起的變形導致顆粒內部晶粒細化、大小不均勻。

2.2 退火態Fe-Ga涂層的相結構

圖3為不同溫度退火后，Fe-Ga涂層的X射線衍射圖譜以及(110)衍射峰的局部放大。如圖3(a)和(b)所示，不同退火溫度下Fe-Ga涂層均具有(110)、(200)和(211)的三強衍射峰，隨著溫度從300 ℃提高到700 ℃，涂層仍保持高溫相A2不變，無有序相出現，表明Fe-Ga涂層熱處理過程中未發生相變，保持無序的體心立方結構(A2相)，這是因為水冷淬火處理使涂層快速冷卻保持A2相。圖3(a)中XRD圖譜(110)衍射峰峰位隨退火溫度的升高從44°左右位置向更高的衍射角度偏移，這與退火過程中涂層內部應力的釋放有關，有研究表明電化學方法生長的ZnO薄膜，其(002)衍射峰對應的衍射角隨退火溫度的升高向更高的角度偏移[19-20]。

圖3 不同退火溫度下Fe-Ga涂層的XRD衍射圖譜(a)以及(110)衍射峰的局部放大(b)Fig 3 XRD diffraction patterns of Fe-Ga powder at different annealing temperatures, and the partial magnification of the (110) diffraction peaks

2.3 退火態Fe-Ga涂層的微觀組織演變

不同退火溫度下Fe-Ga涂層的微觀組織變化如圖4(a)-(d)所示。涂層由粉末顆粒堆積的層狀結構組成，分析涂層橫截面的EBSD微觀組織，顆粒邊緣的盲區標記為黑色，在IPF圖中，<001>、<110>和<111>分別表示晶體學方向。因為在沉積過程中，粉末顆粒與基體或其他顆粒發生碰撞，如圖4(a)所示，沉積態涂層中顆粒出現一定的變形。圖4(b)-(d)表明在300～500 ℃退火處理后，少量變形晶粒發生了局部回復，當退火溫度升高到600 ℃時，晶粒中的變形組織發生明顯地回復，說明晶粒內部局部應力釋放，部分晶粒出現回復和再結晶，如圖4(e)所示。進一步提高退火溫度到700 ℃，晶粒內部的變形組織消失，應力完全釋放，發生了完全地回復和再結晶。

圖4 不同退火溫度下Fe-Ga涂層橫截面的IPF圖(a)沉積態；(b)300 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃；(e)600 ℃；(f)700 ℃；反極圖中的(100)、(110)和(111)代表不同的晶粒取向Fig 4 IPF images obtained from the cross-section of the Fe-Ga coating at different annealing temperature(a) as-deposited, (b) 300 ℃, (c) 400 ℃, (d) 500 ℃, (e) 600 ℃, (f) 700 ℃. (100)、(110)和(111) in the IPF image represent different crystal orientation

2.4 退火態Fe-Ga涂層磁致伸縮性能

圖5為不同退火溫度下Fe-Ga涂層磁致伸縮系數隨磁場的變化曲線。沉積態Fe-Ga涂層的磁致伸縮系數是28×10-6左右，對應地磁致伸縮飽和磁場接近111.44 kA/m。當退火溫度為300～400 ℃時，磁致伸縮系數增加，400 ℃退火后為32 ×10-6。隨著退火溫度的逐漸升高，700 ℃退火后，磁致伸縮系數達46 ×10-6，對應地飽和磁場接近19.9 kA/m。退火過程中磁致伸縮變化有兩方面原因。

首先，退火后采用水淬冷卻使Fe-Ga涂層保持高溫A2相，無其他新相形成，隨退火溫度的升高，晶粒發生回復和再結晶，內部殘余應力逐漸釋放，原子有序度提高，所以磁致伸縮系數增加。其次，磁致伸縮的飽和磁場隨退火溫度的升高而減小，這可能與殘余應力的釋放、缺陷或原子有序程度有關，在外加磁場作用下，磁疇的旋轉變得更加容易，從而降低了磁致伸縮飽和場。因此，適當的退火處理工藝可以改善磁致伸縮性能，對制備高性能材料具有一定的指導意義。

圖5 不同退火溫度下Fe-Ga涂層磁致伸縮隨磁場的變化Fig 5 Magnetostrictive curves for Fe-Ga coatings annealed at different temperatures

3 結 論

針對磁致伸縮導波監檢測技術存在的監測成本高、檢測對象局限性的問題，提出在被檢測試件上沉積磁致伸縮涂層的方法，進而研究熱處理過程中Fe-Ga涂層的相結構、微觀組織變化和磁致伸縮性能，得出如下結論：

(1)沉積態Fe-Ga涂層結合致密，具有典型的層狀結構，平均孔隙率小于1.6%，具有單一的A2相結構。

(2)300～700 ℃退火過程中，水淬退火使Fe-Ga涂層保持單一的A2相結構，涂層內部的變形晶粒逐漸發生回復和再結晶，殘余應力逐漸釋放，700 ℃退火后，發生完整地再結晶。

(3)退火態Fe-Ga涂層在外磁場的作用下，磁致伸縮系數逐漸增加，對應地飽和磁場逐漸降低，700 ℃退火后磁致伸縮達46×10-6，飽和磁場接近19.9 kA/m。