粉末中C抑制FeAl熔滴氧化机制及其对等离子喷涂层组织与性能的影响

大气等离子喷涂(APS)金属时,熔滴不可避免地发生氧化是难以获得粒子间结合充分的致密涂层的主要原因。以FeAl金属间化合物为例,提出一种在粉末中添加亚微米金刚石颗粒引入碳源,以期利用碳在高温下优先氧化的特性抑制等离子喷涂飞行粒子中Fe、Al元素的氧化,获得无氧化物的高温熔滴从而制备低氧含量(质量分数)、粒子间充分结合的FeAl金属间化合物涂层的新方法。采用APS制备Fe Al涂层,研究金刚石的添加对涂层氧含量、碳含量、涂层内粒子间结合质量与硬度的影响规律,探讨FeAl熔滴飞行中的氧化行为。采用商用热喷涂粒子诊断系统测量APS喷涂中的粒子温度,通过SEM与XRD表征了涂层的组织结构,并表征涂层的结合强度与硬度。结果表明,在等离子射流的加热和Fe、Al元素放热反应的联合作用下,飞行中FeAl熔滴的表面温度可达2 000℃以上,满足C原位脱氧的热力学条件。与不含碳的传统Fe Al涂层中的氧含量随喷涂距离的增加而显著增加的规律完全不同,用Fe/Al/2.5C粉末喷涂时涂层中的氧含量随距离的增加而减小,表明飞行中熔滴的氧化得到抑制,实现了C原位脱氧抑制金属元素氧化的自清洁氧化物的效应。FeAl/2.5C涂层氧含量由传统FeAl涂层的3.67 wt.%显著降至0.62 wt.%以下,涂层中有限的氧化物主要来源于粒子沉积后氧化。因Fe Al/2.5C熔滴温度超过2 100℃,实现了熔滴碰撞引起同质涂层粒子表面熔化的自冶金结合效果,提升了涂层的致密性,其表观孔隙率由2.2%降至0.28%;涂层结合强度高于59.2 MPa,且因涂层由FeAl相及Fe3AlCx渗碳体相组成,其硬度达到590 HV0.3,约为传统Fe Al涂层的2倍。