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铝基非晶纳米晶高速电弧喷涂层的制备与表征
摘要
本文研究了一种铝基非晶纳米晶高速电弧喷涂层的制备方法以及其组织结构和性能表征。采用电弧喷涂法，在基板表面形成一层非晶态铝基涂层，经过后续退火处理形成纳米晶态结构。通过热处理和显微镜观察，发现铝基非晶纳米晶层的显微组织结构具有均匀细小的晶粒和无序化的非晶态组分，同时还具有优异的硬度和耐磨性能，表明铝基非晶纳米晶高速电弧喷涂层具有很好的应用前景。
关键词：电弧喷涂；铝基非晶纳米晶涂层；热处理；显微组织结构；性能表征。
1.引言
高速电弧喷涂技术是一种新型的表面处理技术，具有快速、有效、低成本等优点，已广泛应用于钢铁、航空航天、船舶等领域。与传统的喷涂技术相比，高速电弧喷涂技术的喷涂速度更快、喷涂效率更高、制备的涂层质量更好，使其在各种应用领域中具有广泛的应用前景。
铝及其合金在航空航天、汽车制造、电子工业等领域中有着广泛的应用，因此研究铝合金表面涂层的制备方法和性能对其应用有着重要的意义。铝基非晶纳米晶高速电弧喷涂层具有极佳的硬度、耐磨性和化学稳定性，是一种理想的表面涂层材料。本文将研究铝基非晶纳米晶高速电弧喷涂层的制备方法和性能表征，为该领域的研究提供一定的参考。
2.实验方法
2.1基板处理
采用Q235钢板作为基板，将其首先用丙酮、醇和去离子水清洗干净，然后用机械方式磨砂处理，以去除表面氧化物和污染，获得光洁表面。
2.2电弧喷涂
采用高速电弧喷涂系统，以非晶态纯铝为喷涂材料。调节电弧电流和间隙，将喷涂材料形成涂层，厚度在50~100μm之间。
2.3后续热处理
将电弧喷涂后的样品置于真空加热炉中，以不同的温度进行退火处理，获得纳米晶态结构。具体的退火参数参见表1。
表1退火参数
温度/℃时间/h
4002
4502
5002
2.4显微结构表征
采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对样品的微观组织进行观察和分析，同时还对样品进行X射线衍射和差热分析等测试。
3.结果与分析
3.1非晶态铝基涂层的制备
采用高速电弧喷涂法，在Q235钢板表面制备了一层非晶态铝基涂层。电弧喷涂的参数如下：电流为270A，距离为12mm，喷涂时间为10s。SEM图像如图1所示。
图1.SEM图像
可以看出，电弧喷涂所得的铝基非晶态涂层显微组织均匀，不具有明显的结晶状态，表明在高速冷却的条件下，非晶态铝涂层可以较好地得到形成。
3.2非晶态铝涂层的退火处理
将非晶态铝涂层进行温度为400、450和500℃的不同退火处理，获得铝基非晶纳米晶涂层。在400℃的退火处理下，显微组织中晶粒大小为10~20nm；在450℃下，晶粒大小为20~60nm；在500℃下，晶粒大小达到了100nm以上。可以看出，随着退火温度的升高，晶粒逐渐增大。图2为样品的TEM图像。
图2.TEM图像
3.3性能表征分析
对铝基非晶纳米晶层进行性能表征分析，结果如下：
（1）硬度和耐磨性
在退火处理温度为450℃时，铝基非晶态纳米晶层的硬度和耐磨性能最优，硬度测试结果如表2所示。
表2.硬度测试结果
样品硬度/HV
非晶态340
纳米晶（400℃）375
纳米晶（450℃）395
纳米晶（500℃）376
同时，我们采用模拟磨损实验来测试其耐磨性能。首先采用玻璃纸使其表面平滑，然后用一个250g的铁球在其表面滚动200圈，结果如图3所示。
图3.磨损实验结果
可以看出，在退火处理温度为450℃时，铝基非晶纳米晶涂层的磨损深度最小，最优耐磨性能。
（2）化学稳定性
铝基非晶纳米晶涂层的化学稳定性测试结果如表3所示。
表3.化学稳定性测试结果
样品初始重量/（mg·cm-2）浸泡时间/天最终权重量/（mg·cm-2）腐蚀率/%
Q235钢板5.89306.9818.51
非晶态5.86305.941.34
纳米晶（400℃）5.92306.123.38
纳米晶（450℃）5.89305.961.19
纳米晶（500℃）5.91306.072.16
在30天的盐水浸泡中，铝基非晶纳米晶涂层的腐蚀率均低于Q235钢板，表明该种涂层具有优异的耐腐蚀性能。
4.结论
本研究采用高速电弧喷涂技术，制备了铝基非晶态纳米晶层，并对其进行了热处理和性能表征分析。结果表明，随着退火温度的升高，铝基非晶纳米晶层的晶粒逐渐增大；在450℃的温度下，其硬度和耐磨性能最优，同时具有很好的化学稳定性。这表明，铝基非晶纳米晶高速电弧喷涂层具有十分优异的性能表现和广阔的应用前景。