工艺参数对基于釉料的涂层微观结构和附着力的影响

《Surface and Coatings Technology》：Influence of process parameters on the microstructure and adhesion of glaze-based coatings

涂层工艺参数对钴铬氧化物涂层微观结构及性能的影响研究。采用悬浮等离子喷涂制备CoO-Cr?O?复合涂层，分析等离子电流（200-170A）和喷涂距离（75-50mm）对涂层分层结构、化学相（Co?O?、金属Co、Cr?O?）及力学性能的影响。结果表明：短距喷涂（50mm）促进CoO还原为金属Co并形成分层结构；Cr?O?化学稳定，添加显著提升涂层硬度（1200-1550HV）和界面粘附性；长距喷涂（75mm）下Cr?O?涂层致密无裂纹，而CoO涂层因金属相生成导致分层失效。

　　本研究聚焦于通过悬浮等离子喷涂（Suspension Plasma Spray, SPS）技术开发具有类似自然形成的釉层（glaze layer）化学成分的涂层，旨在深入探讨工艺参数对涂层微观结构的影响。这些涂层被设计为替代传统钴基合金（如Haynes 25）的潜在材料，以解决在航空领域中由于材料限制导致的可持续性挑战。在高温环境下，金属表面通常会形成氧化层，这种氧化层在特定的磨损条件下能够转化为具有润滑特性的釉层，从而显著降低摩擦系数和磨损率。然而，传统钴基合金的使用受到其密度较高、机械性能相对较低以及钴资源获取的伦理和可持续性问题的限制。因此，研究者希望通过SPS技术，开发出性能更优且更环保的涂层材料。

SPS技术利用悬浮在液体介质中的亚微米颗粒作为原料，相较于传统的热喷涂方法，它能够实现更精确的成分控制，同时由于颗粒尺寸较小，有助于提高陶瓷涂层的耐磨性和界面结合力。研究者选择了四种不同的原料悬浮液，包括纯CoO、纯Cr?O?以及两种混合比例的CoO-Cr?O?（分别为21%和42%的Cr?O?含量）。这些原料在不同的喷涂条件下进行喷射，目的是观察工艺参数对涂层结构和性能的影响。实验中，研究者通过改变喷涂距离和等离子电流，形成了三种不同的喷涂条件，分别对应不同的工艺参数组合。

研究结果表明，CoO在喷涂过程中部分氧化为Co?O?，而同时也发生还原反应，形成金属钴。这种还原反应在较短的喷涂距离下尤为明显，导致涂层中出现独特的分层结构。与之相比，Cr?O?表现出较低的化学反应活性，因此其化学成分在喷涂过程中变化较小。然而，较短的喷涂距离也会导致表面出现不期望的 cauliflower-like（ cauliflower-like 表面特征，即类似花椰菜的结构），这些结构是由等离子体拖曳力引起的。此外，在混合成分的涂层中，观察到少量的尖晶石结构（spinel formation），但主要还是由钴或铬氧化物组成的区域。

涂层的结合性能和附着力通过划痕测试进行评估，结果显示，金属钴的形成会降低涂层的结合力，导致层间粘附失效。相比之下，添加铬氧化物可以显著提高涂层的结合力和与基材的附着力。这些结果表明，涂层中金属钴的形成可能对涂层的整体性能产生负面影响，特别是在需要高结合力和抗磨损性能的应用中，应尽量避免这种还原反应的发生。通过调整喷涂参数，如增加喷涂距离，可以有效减少金属钴的形成，从而改善涂层的结合特性。

在涂层的微观结构分析中，扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）被用于观察涂层的表面形貌和化学组成。研究发现，不同喷涂条件下，涂层的表面特征存在显著差异。例如，在较短的喷涂距离下，涂层表面的颗粒堆积更加密集，而CoO涂层则表现出更多的分层结构。通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman Spectroscopy）进一步确认了这些涂层中存在的氧化和还原反应，特别是CoO在喷涂过程中向Co?O?和金属钴的转变。这些分析揭示了喷涂条件如何影响涂层的化学组成和相态结构，为优化喷涂工艺提供了重要依据。

此外，研究还涉及了涂层的硬度测试，结果显示，喷涂条件对硬度的影响较小，而化学成分则起着决定性作用。含有较高比例铬氧化物的涂层表现出更高的硬度，这可能与其固有的物理性质有关。然而，硬度的提高并不一定意味着涂层性能的全面改善，因为硬度的增加往往伴随着脆性的提高。通过划痕测试，研究者发现铬氧化物涂层在高载荷下仍能保持良好的结合力，而纯CoO涂层则表现出较差的结合特性，容易在层间发生断裂。因此，在需要高耐磨性和良好结合力的应用场景中，选择合适的化学成分和喷涂参数至关重要。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和多手段的表征分析，揭示了SPS工艺中喷涂参数和化学成分对涂层微观结构和性能的影响。研究结果不仅为开发新型耐磨涂层提供了理论支持，也为优化喷涂工艺参数以提升涂层性能提供了实践指导。未来的研究可以进一步探索如何在不牺牲硬度的情况下，减少金属钴的形成，从而提升涂层的结合力和整体性能。此外，还可以考虑引入其他元素或调整喷涂条件，以实现更复杂的化学组成和更优异的材料特性。这些成果为航空领域中对材料性能和可持续性的双重需求提供了新的思路和解决方案。