喷丸辅助对冷喷涂Ni-Al含能结构涂层组织及性能的影响

发布时间：2021-06-11 09:22

　　目的调控冷喷涂Ni-Al含能结构涂层的微观结构,增加涂层中组元间的接触面积,提高涂层反应速度。方法在Ni、Al混合粉末中引入铸钢弹丸,研究喷丸辅助对冷喷涂Ni-Al涂层微观组织、力学性能和反应特征的影响。采用扫描电镜（SEM）结合定量金相方法,表征Ni-Al涂层微观形貌和Ni、Al组元的接触面积。通过万能材料试验机及分离式霍普金斯压杆（SHPB）测试Ni-Al涂层的压缩力学性能。采用差示扫描量热分析法（DSC）分析Ni-Al涂层的反应温度及放热量。通过高速摄影分析Ni-Al涂层的自蔓延反应过程和燃烧速度。结果喷丸辅助冷喷涂所制备的Ni-Al涂层整体致密、无宏观裂纹。弹丸冲击提高了涂层中Ni颗粒的变形程度和Ni、Al组元间的接触面积,对涂层密度和Ni、Al活性组元含量无明显影响。喷丸辅助冷喷涂Ni-Al在准静态和动态条件下的抗压强度分别为210～250 MPa及310～335 MPa。引入弹丸提高了冷喷涂Ni-Al涂层的反应活性,反应起始温度下降至422℃,并显著提高了冷喷涂Ni-Al含能结构涂层的自蔓延燃烧速度。当钢丸添加量为77%时,涂层燃烧速度达到416 mm/s,提高近5倍。结论... 

【文章来源】：表面技术. 2020,49(11)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

原始Ni粉和Al粉的形貌及粒径分布

辅助沉积的Ni-Al涂层表面起伏提高。图3为无弹丸添加和添加弹丸后所制备Ni-Al涂层的截面形貌。从图3a可看出，无钢丸添加的粉末所制备的Ni-Al涂层组织致密，其中连续分布的暗灰色区域为Al相，类球形的Ni颗粒均匀分布在Al基体相中。添加弹丸后，Ni-Al涂层整体致密，利用图像法统计得出孔隙率低于0.1%，在涂层中无钢丸残留，涂层中的Al颗粒、Ni颗粒均发生了明显的塑性变形，呈现层片状分布；随着弹丸含量的增加，Ni颗粒的塑性变形程度显著增加，在弹丸作用的边界处，Ni颗粒的变形最为明显，如图3c—f中箭头所示。图2涂层表面形貌Fig.2SurfacemorphologiesofNi-Alcoatings:a)coldspraying;b)shotpeeningassistedcoldsprayingNi-Alcoating图3不同钢丸配比制备的Ni-Al涂层截面显微组织Fig.3Cross-sectionalmicrostructureofNiAlcoatingpreparedbydifferentsteelpillratio冷喷涂时，当粉末粒子速度达到或超过材料的临界速度时，才可实现粒子的有效沉积[22]。本文对单质Ni粉和Al粉的沉积试验结果表明，在氦气压力和温度分别为480kPa和150℃的喷涂参数下，Al粉可实现有效沉积，而Ni粉的速度难以达到其临界速度而无法直接沉积。因此可以推断，Ni、Al混合粉末喷涂时，Ni颗粒的沉积依赖于Al颗粒沉积时的裹挟作用，且由于Ni颗粒强度较高，因此涂层中Ni颗粒的变形较校喷涂粉末中添加弹丸后，铸钢弹丸被加速至约103m/s，在Ni-Al涂层沉积的同时，弹丸的高速撞击使涂层中的Ni颗粒和Al颗粒进一步产生强烈的塑性变形，这种原位喷丸强化效应是Ni-Al涂层中Ni颗粒呈现层状分布的主要原因。采用ImagePro软件对涂层中Ni颗粒的长径比及Ni、Al接触面积进

·88·表面技术2020年11月层的典型宏观形貌。从图中可看出，与未添加弹丸制备的涂层相比，采用喷丸辅助冷喷涂沉积的Ni-Al涂层表面观察到大量凹坑，表面起伏较大。喷丸辅助冷喷涂沉积过程中，Ni、Al粉末和弹丸均被加速。当弹丸以一定速度撞击已沉积涂层时，一方面对已沉积涂层表面产生喷丸效应，形成凹坑；另一方面，反弹的弹丸可能对Ni、Al颗粒形成一定的屏蔽效应，导致喷丸辅助沉积的Ni-Al涂层表面起伏提高。图3为无弹丸添加和添加弹丸后所制备Ni-Al涂层的截面形貌。从图3a可看出，无钢丸添加的粉末所制备的Ni-Al涂层组织致密，其中连续分布的暗灰色区域为Al相，类球形的Ni颗粒均匀分布在Al基体相中。添加弹丸后，Ni-Al涂层整体致密，利用图像法统计得出孔隙率低于0.1%，在涂层中无钢丸残留，涂层中的Al颗粒、Ni颗粒均发生了明显的塑性变形，呈现层片状分布；随着弹丸含量的增加，Ni颗粒的塑性变形程度显著增加，在弹丸作用的边界处，Ni颗粒的变形最为明显，如图3c—f中箭头所示。图2涂层表面形貌Fig.2SurfacemorphologiesofNi-Alcoatings:a)coldspraying;b)shotpeeningassistedcoldsprayingNi-Alcoating图3不同钢丸配比制备的Ni-Al涂层截面显微组织Fig.3Cross-sectionalmicrostructureofNiAlcoatingpreparedbydifferentsteelpillratio冷喷涂时，当粉末粒子速度达到或超过材料的临界速度时，才可实现粒子的有效沉积[22]。本文对单质Ni粉和Al粉的沉积试验结果表明，在氦气压力和温度分别为480kPa和150℃的喷涂参数下，Al粉可实现有效沉积，而Ni粉的速度难以达到其临界速度而无法直接沉积。因此可以推断，Ni、Al混合粉末喷涂时，Ni颗粒的沉积依赖于Al颗粒沉积时的裹挟作用，且由于Ni颗粒强度较高，因此?

【参考文献】：
期刊论文
[1]原位微锻造冷喷涂制备高致密铝基涂层及耐腐蚀性能[J]. 雒晓涛,魏瑛康,张越,李长久.  表面技术. 2019(04)
[2]Al-Ni活性金属材料力学性能及其释能行为研究[J]. 曹召勋,王军,徐永东,朱秀荣.  兵器材料科学与工程. 2018(05)
[3]Al-Ni-W活性材料动态力学行为及其释能特性[J]. 陈元建,陈进,王军,曾羽,袁宝慧,梁争峰,李鑫.  兵器材料科学与工程. 2018(04)
[4]反应结构材料制备技术的研究现状[J]. 陶玉强,白书欣,阳世清,李顺.  中国有色金属学报. 2017(10)
[5]Mg3Sb2金属间化合物的机械化学合成工艺[J]. 韩婷婷,龙威,周小平.  材料热处理学报. 2017(03)
[6]冷喷涂技术在增材制造和修复再制造领域的应用研究现状[J]. 李文亚,张冬冬,黄春杰,郭学平.  焊接. 2016(04)
[7]多功能含能结构材料研究进展[J]. 张先锋,赵晓宁.  含能材料. 2009(06)
[8]冷喷涂技术的研究进展[J]. 苏贤涌,周香林,崔华,张济山.  表面技术. 2007(05)
[9]冷喷涂特性[J]. 李文亚,李长久.  中国表面工程. 2002(01)
[10]机械活化对Al-Ti-C粉料合成反应激活能的影响[J]. 马乃恒,方小汉,梁工英,苏俊义.  金属学报. 2000(11)

硕士论文
[1]Ni-Al金属反应材料的制备和性能研究[D]. 张度宝.南京航空航天大学 2016
[2]Ni-Al-W活性复合材料组织与性能关系研究[D]. 宋丹丹.北京理工大学 2015



本文编号：3224265