低成本氧―燃气火焰喷涂系统在Cr2O3涂层的应用

    【摘要】 采用新开发的便携式DZ9000型超音速氧燃气火焰喷涂系统，获得了不同粒度范围Cr₂O₃粉末的理想喷涂涂层。通过对涂层微观组织及性能指标检测，证明该系统喷涂不同粒度的Cr₂O₃粉末，其涂层均无明显层状结构；粗粒度粉末涂层的孔隙率大干细粒度粉末涂层；粗粒度粉末涂层的显微硬度更高一些；粉末粒度大小对涂层的相结构影响不大。

    一、概述

    作为热喷涂应用的主要粉末材料之一，Cr₂O₃系列粉末已在纺织机械、印刷机械、泵类密封件等耐磨耐腐蚀工况中广泛应用。由于Cr₂O₃系列粉末的熔点较高(2265℃)，因而一般采用传统等离子粉末喷涂工艺。但Cr₂O₃的沸点(3000℃)与熔点非常接近，粉末通过高能量等离子弧(弧柱中心温度可达15000～33000K)时，会产生大量对人体有害的烟尘，这是一个重要的环保问题。另外，高温等离子弧对喷涂枪阴阳极的烧损，造成涂层中存在金属斑点，这对大面积喷涂应用的危害更大。有关文献中证明，采用等离子弧喷涂Cr2O3涂层的金相图上都可发现金属Cr的痕迹。

    本文采用中国农机院表面所新开发的低成本便携式DZ9000型氧燃气火焰喷涂系统喷涂Cr2O3粉末，探讨了喷涂系统工艺性及涂层性能。应用表明，这一系统具有良好的操作界面，移动方便，工艺参数再现性准确。同时，由于氧燃气焰流温度适中，所以喷涂中具有烟尘量小、无电极烧损等特点。通过对不同粒度范围的Cr₂O₃粉末涂层各项性能指标的检测，证明采用这一系统喷涂Cr₂O₃粉末可以获得性能良好的Cr₂O₃工作涂层。

    二、DZ9000型氧燃气火焰喷涂系统的设备、材料与方法

    DZ9000系统由DZ4007型高压送粉器(载气压力max 1.OMPa)、氧―燃气气体分配器、DZ9000型便携式超音速氧燃气喷涂枪，图1为喷涂时清晰可见得马赫节焰流形貌。

图1  DZ9000喷涂枪喷涂焰流

    该系统采用氧气加金火焰燃气，焰心温度最高可达到3315℃，火焰的输出功率范围在92.33～139.90kW。火焰输出功率的计算公式为：

      _________________________
Q₁=Q√[(r_f-r₂)r₁]/[(r_f-r₁)r₂                            (1)

式中  Q₁―燃气流量；

      Q―流量计显示流量；

      r_f―流量计浮子密度；

      r₁―空气密度；

      r₂―金火焰气体密度。

           _______
    Q₂=Q₁√P₁T₀/P₀T₁                                         (2)

式中  P₁―金火焰压力；

      P₀―20℃下流量计空气压力标定。

      W=Q₂×104590kJ/m³                                     (3)

式中W―火焰功率。

    试验选用两种不同粒度的Cr₂O₃粉末，其中1^#粉末的粒度范围为：-170～+15μm，2^#粉末的粒度范围为：-45μm～+15μm。表1是Cr₂O₃粉末物理化学性能。

表1  Cr₂O₃粉末物理化学性能

 

    试验选用3mm厚的Q235钢板为基体，试样表面经除油、粗化后喷涂。表2为试验的喷涂参数表。喷涂时的送粉量为：68g/min。

 表2  喷涂参数表

    三、试验结果与分析

    1．涂层表面微观结构

    图2是Cr₂O₃不同粉末粒度涂层放大800倍下的显微结构照片，涂层厚度分别为，1^#粉末涂层O.4mm，2^#粉末涂层0.5mm。由图2可见，涂层层状结构不明显，表明粉末熔化充分。图片中1^#区域为Cr₂O₃，2^#黑色区域为杂质富集区域。分析可知：两种不同粒度粉末的涂层结构存在差异，其中细粒度粉末涂层的黑色杂质富集区明显多于粗粒度粉末涂层。另外，肉眼可观察到粗粒度粉末涂层孔隙密度较大。更深入的研究表明，2^#黑色杂质富集区主要为粉末中的微量杂质成分。

    2．涂层典型性能

    采用德国KONTRON公司SEM-IPS图像分析仪对上述涂层放大160倍后检测，通过二值灰度法分析获得涂层的孔隙率特性，其中1#粉末的孔隙率为6.08％；2#涂层的孔隙率<4.04％。这一数值与德国阿亨大学技术学院提供的大气等离子弧喷涂层孔隙率为5.8％相一致。

图 2  Cr₂O₃涂层截面显微结构

    图3是两种粒度粉末喷涂层截面显微硬度分布曲线。其中1^#粉末涂层的平均硬度为1074.3HV100，2^#粉末的平均硬度为992.71HV100。

图3  喷涂层截面显微硬度分布曲线

    图4分别是Cr₂O₃粉末与涂层的X-ray相结构分析结果。由图4可见，1^#、2^#粉末的主要物相均为Cr₂O₃和少量的Fe。图4c、d显示涂层的物相主要为Cr₂O₃和少量的Fe。这表明，DZ9000系统喷涂Cr₂O₃粉末涂层保持了原粉末的各项性能。相结构分析表明，喷涂涂层中无游离的金属Cr及其他化合价的Cr的氧化物。可见，氧气加金火焰燃流温度没有造成Cr₂O₃粉末的分解，这对喷涂层应用更为有利。另外，分析表明，粉末粒度的变化对涂层的相结构影响不大。

 

图4  X-ray衍射相结构分折

    四、结论

    (1)采用DZ9000系统喷涂不同粉末粒度的Cr₂O₃，获得无明显层状结构涂层，粗粒度粉末涂层的孔隙率大于细粒度粉末涂层。

    (2)平均显微硬度检测表明：粗粒度粉末涂层的显微硬度更高一砦。

    (3)由于DZ9000型氧燃气火焰喷涂设备的焰流温度最高为3315℃，所以喷涂Cr₂O₃粉末时产生的烟尘量大大低于等离子弧喷涂工艺，有利于操作人员健康及环保要求。

    (4)相结构分析表明：粉末粒度大小对涂层的相结构影响不大。

    (5)采用低成本的DZ9000型氧―燃气火焰喷涂系统获得的Cr₂O₃涂层性能稳定，满足工况应用要求。