等离子体增强高速电弧喷涂制备Al/SiC复合涂层的形成机制及其力学性能：陶瓷原位掺入沉积技术

《Surface and Coatings Technology》：Formation mechanism and mechanical properties of Al/SiC composite coatings by plasma-enhanced high-velocity arc spraying: Ceramic in-situ incorporation deposition

　　

周玉杰 | 刘明 | 康家杰 | 白凯文 | 马国正 | 高瑞 | 彭启庆 | 张杰 | 王海斗

中国地质大学（北京）工程与技术学院深部地球勘探与成像国家重点实验室，北京 100083，中国

摘要

涂覆耐磨和耐腐蚀涂层是延长海洋设备使用寿命的有效策略。传统的热喷涂技术在制备金属-陶瓷复合涂层时存在沉积效率低和陶瓷分散不均匀的问题。本研究采用等离子体增强的高速电弧喷涂（PE-HAS）技术制备了纯Al和Al/SiC复合涂层进行对比。通过数值模拟和实验阐明了“金属熔化-颗粒沉积-微观结构-性能”链条中的形成机制和性能演变。得益于双阳极能量耦合，PE-HAS的技术实现了每道次156微米的高沉积速率，并在惰性气氛中抑制了颗粒氧化。Al/SiC芯线通过涂层破裂和可控的粉末释放实现了SiC的原位掺入。坚硬的SiC颗粒导致了非单调的残余应力分布（表面应力高，中间层应力降低，底部应力回升）。Al/SiC涂层的平均显微硬度为132.41 HV?.?，是纯Al涂层的3.8倍。尽管其结合强度略有下降至39.3 MPa，但仍表现出良好的内聚破坏和优异的界面粘附性。摩擦系数从0.46降至0.29，磨损率降低了84.6%，磨损机制也从粘着磨损转变为磨料磨损。本研究表明，结合芯线原位复合技术的PE-HAS能够高效制备高性能Al/SiC涂层，为大规模生产金属-陶瓷复合涂层提供了有前景的途径。

引言

在海洋环境中，大型金属设施（如石油钻井平台、能源传输管道和船舶）长期在高温、高湿度和高盐雾等恶劣条件下运行。由于介质引起的磨损和侵蚀，这些设施的表面容易遭受协同的机械磨损和腐蚀损伤，从而带来重大的安全隐患和经济损失[1]、[2]、[3]。表面强化技术是机械制造领域的一个重要分支；通过在机械部件表面涂覆强化涂层，可以有效提高其性能和使用寿命。基于Al的涂层被广泛用于海洋防护，它们形成致密的Al?O?屏障，通过阳极牺牲效应阻挡腐蚀介质并保护基材[4]、[5]。

常见的基于Al的涂层制备技术包括电弧喷涂[6]、超音速火焰喷涂[7]和等离子体喷涂[8]。电弧喷涂成本较低，但涂层孔隙率高且氧化严重；超音速火焰喷涂能获得致密涂层，但成本较高；等离子体喷涂使用高能射流制备高质量涂层，但其能量利用率和沉积效率较低，限制了应用范围。等离子体增强的高速电弧喷涂（PE-HAS）是由我们团队开发的一种新型表面工程技术，它结合了等离子体喷涂和电弧喷涂的优势。PE-HAS在焊丝电极上引入了第二个阳极，非转移电弧稳定了等离子体射流，转移电弧有效熔化了焊丝，实现了高速熔化、惰性雾化和高质量沉积。该技术提高了材料利用率，并为海洋防护涂层的制备提供了新方法[9]、[10]、[11]。该技术基于等离子体喷涂，在焊丝末端添加了第二个阳极，喷嘴内部通道中的等离子体弧被传输到焊丝尖端，形成了独特的双阳极结构。在这种配置下，焊丝作为熔化阳极，在惰性气氛下实现高速熔化、熔融和雾化沉积，同时提高了喷涂材料的利用效率并实现了高质量沉积，为海洋设备表面的高性能防护涂层制备提供了有前景的方法。近年来，将陶瓷增强剂（如Al?O?、SiC）掺入金属基体已成为提高涂层硬度和耐磨性的主流方法[12]、[13]。研究人员通过旋转锻造工艺制备了陶瓷芯线，并通过电弧喷涂成功沉积了Al基金属/陶瓷复合涂层，显著提高了耐磨性。值得注意的是，优异的耐磨性为这类涂层的良好耐腐蚀性提供了基础[14]、[15]、[16]。然而，传统电弧喷涂的技术弊端阻碍了陶瓷相的可靠沉积，并容易在涂层内部产生大量孔隙和裂纹缺陷。由于PE-HAS采用了焊丝作为熔化阳极的特殊设计，有望实现金属/陶瓷复合涂层的高质量沉积。然而，作为一种新兴技术，关于其射流特性、焊丝熔化过程、飞行中的颗粒行为、涂层形成过程等喷涂基础方面的研究尚不足，相关机制也尚未完全明确（表1）。

节选内容

实验材料

本研究中选用921A钢作为基材，该钢材购自中国高速钢有限公司。基材被加工成矩形试样（100 mm × 30 mm × 5 mm）和圆柱形试样（Ф25.4 mm × 5 mm），用于PE-HAS沉积。基材的化学成分见表2.1。喷涂前对基材进行了预处理，以确保表面清洁和涂层与基材之间的强附着力。首先，对基材进行了超声处理……

焊丝的熔化与液滴扩散行为

焊丝的熔化行为直接决定了液滴的形成质量、颗粒大小分布和初始动能，这些因素是控制等离子体射流中颗粒飞行轨迹、温度衰减和撞击扩散行为的核心因素。因此，研究Al和Al/SiC焊丝在PE-HAS过程中的熔化行为至关重要。图5展示了单次喷涂过程中Al焊丝熔化的快速摄影图像……

结论

本研究系统探讨了采用PE-HAS技术制备的纯Al涂层和Al/SiC复合涂层的整个工艺机制。数值模拟和实验表征揭示了焊丝熔化、颗粒飞行、液滴扩散和涂层形成的核心机制。同时，通过对涂层性能的全面分析，证明了PE-HAS技术在高效制备……方面具有独特优势。

作者贡献声明

周玉杰：写作–审稿和编辑，原始稿撰写，软件应用，方法研究，数据管理，概念制定。刘明：方法研究，实验设计，资金争取，概念制定。康家杰：数据验证，资金争取，形式分析，概念制定。白凯文：方法研究，实验设计，数据管理。马国正：项目监督，资源协调，方法研究。高瑞：软件应用，项目管理，实验设计。彭启庆：数据验证，资源协调。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52130509、52575243）和河南省自然科学基金优秀青年学者计划（项目编号：252300421050）的财政支持。