等离子气体对等离子高速电弧喷涂沉积的Inconel 718材料性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of gas of plasma on the properties of Inconel 718 deposited by plasma enhanced high-velocity arc spraying

本研究采用等离子增强高速电弧喷涂（PEHAS）在Ar-H?和Ar-N?气氛下制备Inconel 718涂层，分析等离子射流温度与速度的波动规律，发现Ar-H?下温度和速度峰值分别达20225 K和2797 m/s，而Ar-N?涂层机械性能（58.41 MPa、504.524 HV0.1）与耐腐蚀性（-0.822 V/SCE）与Ar-H?相当，证实氮气可替代氢气用于海洋平台涂层制备。

　　在海洋环境中长期运行的船舶甲板和海上钻井平台的结构部件，极易受到磨损和腐蚀的影响，这可能严重削弱其结构完整性和使用寿命。为了提高这些表面的耐用性和运行寿命，采用热喷涂涂层技术是一种有效的方法。本研究通过等离子增强高速电弧喷涂（PEHAS）技术，在氩-氢（Ar-H?）和氩-氮（Ar-N?）两种大气环境下制备了Inconel 718涂层。实验结果表明，PEHAS喷枪喷射的温度和速度呈现出一种波动趋势，即“上升-下降-上升-下降”。在喷枪内部和外部，温度和速度分别出现了两个显著的极值点。在氩-氢（Ar-H?）大气条件下，喷射达到最高的温度和速度，分别为20,225 K和7258 K，以及2797 m·s?1和1179 m·s?1。此外，金属丝在喷射过程中的熔化过程经历了多个阶段，包括“预热-热传导-液化-剥离-拉伸-断裂”，从而形成形状和大小各异的金属液滴。在氩-氢（Ar-H?）大气环境下，金属液滴的氧化程度显著降低，从而减少了空气中产生的细小颗粒。测量结果显示，平均颗粒尺寸为18.1 μm，氧元素浓度为19.84 %。此外，扁平的颗粒形状使得盘状结构更容易形成，从而提高了涂层的质量和性能。通过实验，SAr-H和SAr-N涂层表现出相似的机械和电化学特性，包括结合强度为58.41 MPa，微硬度为504.524 HV?.?，摩擦系数为0.56339，以及腐蚀电位为?0.822 V/SCE。在海洋平台组件的涂层制备过程中，由于氮（N?）与氢（H?）在涂层性能上具有相似性，氮可能成为一种更合适的热源替代物。本研究预期将为海上钻井平台和海洋环境中保护涂层的制造与应用提供参考。

Inconel 718（IN 718）是一种以镍为基础的高温合金，因其在室温及高温环境下卓越的机械性能和出色的耐腐蚀能力而闻名。它被广泛应用于航空航天、核工程等领域[[1], [2], [3], [4]]。在使用过程中，设备表面容易受到腐蚀和磨损，这会缩短其使用寿命。为了提高设备的运行安全性和延长机械部件的寿命，通常会在表面施加保护涂层[[5], [6], [7], [8]]。通过改变金属表面的性质，表面工程技术可以有效地提升机械强度、耐腐蚀性和耐磨性，同时减少工件表面的失效现象[[9], [10], [11]]。该领域主要采用的方法包括物理气相沉积、热喷涂技术和激光表面工程技术[[12], [13], [14], [15]]。其中，热喷涂技术利用热源快速熔化或半熔化金属丝或粉末材料，随后通过高速气流将其雾化并加速，最后喷涂到已准备好的基材表面[[16,17]]。通过热喷涂技术制备IN 718合金涂层，以增强其耐磨和耐腐蚀性能，已成为全球研究人员广泛关注的课题。张等人成功利用等离子喷涂和冷喷涂技术制备了IN 718涂层，并对两种方法生成的涂层进行了比较分析。研究表明，采用大气等离子喷涂（APS）技术制备的涂层表现出比冷喷涂更高的结合强度、抗拉强度和延展性[[18]]。杨等人利用大气等离子喷涂（APS）技术，在IN 718合金基材上沉积了两种不同粉末粒径的IN 718涂层，并对其微观结构和机械性能进行了研究。结果显示，使用细粉末颗粒制备的涂层具有更致密的结构、更低的孔隙率、更高的氧化物含量以及更优异的机械性能[[19]]。

随着热喷涂技术的不断发展，它已涵盖多种方法，包括火焰喷涂、等离子喷涂和电弧喷涂[[20], [21], [22]]。根据喷涂材料的形状，该技术可以分为以丝材为基础的电弧喷涂技术和以粉末为基础的等离子喷涂技术。使用粉末材料制备的涂层展现出更优越的密度和机械性能[[23], [24], [25]]。然而，它们的生产成本较高，涂层制造效率较低，因此不适合用于大型设备的表面保护[[26,27]]。相比之下，电弧喷涂技术在涂层制造过程中具有较高的沉积效率，能够制备出具有经济效益和操作效率优势的优质涂层[[28,29]]。然而，在电弧喷涂过程中，由于粒子速度较低且暴露于环境条件的时间较长，涂层中容易形成氧化物夹杂[[30]]。此外，由于粒子变形和扩散能力的减弱，导致孔隙率增加，从而限制了其在机械性能、耐腐蚀性和耐磨性方面的提升，这在一定程度上也限制了其在保护海洋设备表面中的应用。作为一种先进的热喷涂技术，PE-HAS结合了等离子喷涂的优质涂层性能和电弧喷涂的高沉积效率。使用这种新技术制备的涂层展现出显著降低的孔隙率、较低的氧化程度以及增强的结合强度[[31,32]]。

在PE-HAS涂层制备过程中，喷射特性和涂层性能一直是研究的重点[[17,26]]。大多数研究中使用氩-氢（Ar-H?）混合气体作为等离子气体。氢是一种常用的等离子气体，因其具有较高的热容量和热导率[[33,34]]。然而，氢的使用受到其经济成本高和制造技术复杂性的限制。此外，氢在大型海上平台和船舶甲板环境中的应用也受到严重安全限制。氮作为一种双原子分子，其焓值相对较高[[35]]。它可以与氩结合使用，因其具有安全性和化学稳定性。使用氩-氮（Ar-N?）混合气体作为等离子介质进行PE-HAS涂层制备是一种新方法，尚未被充分研究。

基于此，本研究旨在解决在Ar-H?大气环境下使用PEHAS技术进行涂层制备过程中的安全限制，以及在海洋作业环境中腐蚀和磨损的关键问题。通过PEHAS技术，在Ar-H?和Ar-N?两种大气环境下沉积Inconel 718涂层。重点研究喷射温度和速度对涂层形成机制的影响，并对PEHAS过程中产生的等离子喷射特性进行了深入分析。对两种气体混合环境下的涂层进行了全面的微观结构、相组成、机械性能、耐腐蚀性和耐磨性的研究。为了有效保护设备并提升整体制造过程的安全性，本研究的目标是将氢替换为氮进行海洋平台组件的涂层制备。

本研究选择了直径为1.6 mm的Inconel 718实心丝材作为喷涂材料，并购自中国北京燕邦新材料技术有限公司。表1列出了丝材的元素组成。图1展示了丝材的横截面形貌和元素分布，显示出一种非常均匀且致密的微观结构，没有明显的缺陷，如夹杂物或微裂纹。丝材横截面上的元素分布情况表明，其化学成分在不同区域具有良好的均匀性，没有明显的偏析现象。这一特性对于确保涂层的均匀性和性能具有重要意义。在喷涂过程中，丝材的熔化和雾化过程受到喷涂气体的显著影响。因此，选择合适的喷涂气体对于获得高质量的涂层至关重要。氩-氢（Ar-H?）和氩-氮（Ar-N?）两种气体混合物在喷涂过程中的作用存在差异，这种差异可能影响最终涂层的微观结构和性能。

为了进一步探讨PEHAS过程中等离子喷射的特性，本研究对在Ar-H?和Ar-N?两种大气环境下形成的喷射温度和速度进行了系统分析。图4展示了在两种气体环境下等离子增强高速电弧喷射的温度分布图以及轴向和径向的温度分布特征。具体而言，图4(a)和图4(b)分别展示了在Ar-H?和Ar-N?大气环境下温度场的分布图，而图4(c)和图4(d)则展示了在对应气体环境下温度场的轴向和径向分布情况。在两种环境下，喷射温度均呈现出一种波动趋势，这可能与喷涂过程中热源的动态变化有关。同时，喷射速度也表现出类似的波动模式，这表明在不同的气体环境下，喷射的物理特性存在一定的差异。这些特性对涂层的形成机制和最终性能具有重要影响，因此需要深入研究其变化规律。

此外，本研究还对两种气体环境下形成的涂层进行了详细的分析，包括其微观结构、相组成、机械性能、耐腐蚀性和耐磨性。通过实验数据，可以系统地总结两种涂层之间的性能差异，并深入探讨其腐蚀机制和磨损行为。特别关注的是，喷射温度和速度对涂层形成过程的影响，这可能与涂层的结合强度、孔隙率和氧化程度密切相关。通过比较两种气体环境下的涂层性能，可以进一步验证氮作为氢替代物的可行性，并为未来的涂层制备提供科学依据。

本研究的结论表明，使用PEHAS技术在Ar-H?和Ar-N?两种大气环境下制备的Inconel 718涂层，其微观结构和相组成表现出一定的相似性，但在机械性能和耐腐蚀性方面存在差异。在Ar-H?环境下，由于氢的高热导性和热容量，喷射温度和速度较高，这有助于提高涂层的结合强度和致密性。然而，氢的使用也带来了较高的经济成本和安全风险，限制了其在大规模应用中的使用。相比之下，使用氩-氮（Ar-N?）混合气体作为等离子介质，虽然喷射温度和速度较低，但其安全性较高，化学稳定性良好，能够有效降低涂层中的氧化程度，提高涂层的均匀性和性能。因此，在海洋平台组件的涂层制备过程中，氮可能成为一种更合适的热源替代物。

本研究的成果不仅为海洋环境中设备的表面保护提供了新的思路，也为未来涂层技术的发展奠定了基础。通过对比分析不同喷涂气体对涂层性能的影响，可以进一步优化喷涂参数，提高涂层的质量和耐用性。此外，本研究还强调了喷射温度和速度在涂层形成过程中的关键作用，这对于理解涂层的微观结构和性能具有重要意义。在实际应用中，选择合适的喷涂气体和参数对于确保涂层的性能和安全性至关重要。因此，本研究的结果有望为相关领域的研究和应用提供参考，推动新型涂层技术的发展和应用。

本研究的作者贡献如下：Rui Gao负责撰写原始稿件，Guozheng Ma负责概念化，Haidou Wang负责监督，Ming Liu负责资金获取，Jie Zhang负责验证，Hanbing Zhang参与撰写原始稿件，Qiao Zhang负责资源，Yujie Zhou和Guo Jin负责监督，Qiqing Peng负责审阅和编辑。所有作者声明他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本研究报告的成果。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52130509、52075542）的资助，为相关研究提供了重要的资金支持。