技 術(shù) 評 論 —— 運用顯微組織分析解決實際問題熱噴涂涂層的制備
作者：George Vander Voort
熱噴涂涂層金相
熱噴涂涂層的應(yīng)用是為了改善基體材料的抗氧化、抗腐蝕、抗表面磨損和抗燒蝕能力。有涂層金屬部件的準確表征要求對其顯微組織進行金相檢驗。涂層的厚度范圍從 0.002 至 0.060英寸  （0.005 至  1.5mm）  并用不同的噴涂技術(shù)和參數(shù)沉積到基底上。必須用金相制備技術(shù)準確地確定顯微組織特性。由于一些涂層的脆性本質(zhì)和孔隙的存在并在涂層構(gòu)成了很不相同的硬度，在金相制備中總是有可能無法顯示出真實的顯微組織或引入假象，從而對涂層特性作出錯誤的詮釋。光學(xué)顯微技術(shù)為一塊經(jīng)過正確制備的涂層試樣提供了一種評估手段，以確定或測定 涂層/基底界面的質(zhì)量、孔 隙度、未熔化顆粒及氧化物的分布、涂層厚度、以及其它涂層特性，各個實驗室為了對熱噴涂試樣進行顯微組織評估而使用的金相制備技術(shù)不盡相同，這一差異往往會造成勉強合格的結(jié)果。這些技術(shù)包括在粗磨和細磨階段，碳化硅砂紙、固定或半固定金剛石的使用。粗拋光階段是在無絨毛織物上使用分級系列的金剛石膏或懸浮液。對于zui終拋光階段，則在有絨毛或無絨毛的織物上使用細金剛石膏或懸浮液，或使用小于 1 微米的氧化鋁粉。如果在使用以上任何消耗品或制備表面時采用不恰當?shù)募夹g(shù)都會產(chǎn)生不夠的結(jié)果。
圖 1。典型的涂層截面組織，圖中示出氧化物和夾雜物的層狀組織
本期標樂公司的《技術(shù)評論》是為了給讀者提供能夠始終如一地準確對涂層進行表征的熱噴涂涂層金相制備步驟的信息。

金相試樣制備
取樣/切割
對于不同類型的熱噴涂試樣，應(yīng)當使用帶有金屬粘接的金剛石薄片或超薄氧化鋁砂輪片的精密切割機沿著垂直于試樣軸的方向進行切割。試樣應(yīng)當用臺鉗夾緊，其位置應(yīng)使切割片從涂層一側(cè)進入而從基底一側(cè)出去，這樣就顯著減小了涂層的損傷。圖 2 示出在切割熱噴涂涂層時所建議的切割片轉(zhuǎn)動方向、試樣位置、及試樣類型。通過真空浸滲可以使多孔性涂層或易碎涂層上有一
薄層的環(huán)氧樹脂可以避免在切割時造成損傷。表 1 給出切割參數(shù)。每一塊切下的試樣都應(yīng)當放在丙酮中*清洗并在鑲嵌前在 70°C 的烘箱中干燥 5 分鐘。 鑲嵌可以保護涂層免受破壞并在磨光和拋光工序時提供邊緣保護。金相鑲嵌可分為兩類，即加壓成型和可澆注環(huán)氧樹脂。盡管有一些涂層可以采用加壓模式鑲嵌，可澆注環(huán)氧樹脂已經(jīng)成為優(yōu)先考慮的鑲嵌方法。這種方法
沒有會給易碎涂層帶來損傷的高壓和高溫。EPO-KWICK ,  環(huán)氧化物或EPO-THIN 均適于進行正確的鑲嵌。每一塊試樣應(yīng)當放在真空浸滲系統(tǒng)中，容器內(nèi)應(yīng)抽真空至26 英寸汞柱  （約合 88  kPa）。然后將環(huán)氧樹脂澆入每一個SAMPL-KUP 中并保持 5-10 分鐘以使其浸滲到涂層的敞開孔隙中。圖 3 為兩種鑲嵌方法的示意圖并給出每種方法建議使用的涂層類型。

磨成平面階段
這個*階段是為隨后關(guān)鍵的試樣無損傷階段做準備。由于它除了產(chǎn)生平坦的表面外，還要去除由于切割而產(chǎn)生的變形層，因此它對于整個試樣制備過程的成功與否有重大的影響。一旦這一階段恰當?shù)赝瓿?，隨后的工序就不多了。每一道工序產(chǎn)生的損傷必須能在隨后的工序中 除 去 。 使 用 粗 碳 化 硅 砂 紙 （ 粒 度 為 120 或  180 ） 或 固 定 的  45  微 米 金 剛 石 磨 盤（ULTRA-PREPP）可 將熱噴涂涂 層試 樣磨成 平面 。每一 種磨 料都可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生平坦的表面。固定的金剛石磨盤能產(chǎn)生高的材料去除速率，而碳化硅砂紙的作用就沒有這么大。正確的選擇磨制表面很重要，它可以使涂層避免產(chǎn)生嚴重的損傷。在進入下一階段以前，試樣必須*清洗和干燥。超聲波清洗并沒有普遍被采用，因此使用時間應(yīng)盡可能短，以避免導(dǎo)致?lián)p傷。

試樣無損傷階段
整個過程zui終是否成功取決于這個階段將磨 平階段產(chǎn)生的變形去 除并使表面損傷大大 減少的能力。當這一制備階段完成后，涂層和基底應(yīng)當沒有損傷。表 2 及表 3 所示的兩種方法使用兩種不同的磨料制備，二者都可以達到試樣無損傷的結(jié)果。使用粒度愈來愈細的碳化硅砂紙是有效的，但成本高。在硬的聚脂織物（ULTRA-PAD ）上有效地使用半固定的多晶 （PC）金剛石懸浮液（9 微米）可以保持磨成平面階段已建立的平面度并去除該階段產(chǎn)生的表面變形。用表 3 列出的兩道試樣無損傷工序取代表 2 中列出的 6 道碳化硅砂紙中的 5 道，在保持平面度遠為良好的條件下又實際上消除了顯微組織中的浮凸或表面變形。用TEXMET 1000 織物和 3 微米多晶金剛石懸浮液可以很容易地除去特細砂紙和半固定多晶金剛石 留下的細劃痕。

zui終拋光階段
zui終拋光階段使用非常細的磨料（小于 1 微米）而且只去除很少量的材料；因此，這些磨料無法去除以前諸工序沒有除去的、相當大的表面損傷或變形。旋轉(zhuǎn)的、帶絨毛的織物會產(chǎn)生有選擇性的磨削作用，如果拋光時間過長，就會在硬涂層上造成顯微組織浮凸和邊緣圓角。如果磨成平面階段和試樣無損傷階段都能正確地進行，則zui終拋光階段所須時間較短，但卻能 非常有效
地產(chǎn)生沒有浮凸和邊 緣圓角的干凈、無損傷的顯微組織。 使用CHEMOMET 織物和MASTERPREPP（0。05 微米Al2O3）可以獲得無劃痕、無變形的表面。
圖 2。  熱噴涂涂層的正確切割
圖 3。  熱噴涂涂層的正確鑲嵌 熱 噴 涂 涂 層 顯 微 組 織 特 征
  
顯微組織評估 
不論使用傳統(tǒng)的或新型的磨料和制備表面都 可以使多種熱噴涂涂 層和基底產(chǎn)生始終如 一的良好結(jié)果。拋光完成后的表面能顯露出涂層--基底界面的真實組織、孔隙度和未熔顆粒數(shù)量、是否有氧化物、以及涂層的總厚度。這些信息可以使評估者對涂層的顯微組織特征有一個準確的概念，從而使他（她）能以更大的信心對涂層的質(zhì)量做出判斷。

結(jié)論  
使用當前技術(shù)發(fā)展水平的磨料、制備表面和設(shè)備可以成功地完成熱噴涂涂層各方面的顯微組織評估。半自動和全自動制樣設(shè)備和與其配套使用的新型、且性能價格比高的磨料和制備表面可以為涂層特性評估制備出始終如一的、的無損傷表面。使用這種設(shè)備和技術(shù)將使熱噴涂供應(yīng)商、質(zhì)量鑒定實驗室以及zui終用戶對于zui終產(chǎn)品具有高度的置信度。用手工方法制備熱噴涂涂層需要具有特殊技能、高度熟練的金相技術(shù)人員，這樣才能始終如一地取得準確的結(jié)果。由于目前很難找到這種人員，因此不推薦采用手工方法制備。

問：怎樣準確判定涂層損傷的起因？
答：不讓諸如“什么時候會產(chǎn)生損傷”這類問題出現(xiàn)的辦法就是在 27 英寸（約 686 毫米 ）汞 拄（約 合 91。4  kPa ）的真 空環(huán)境 中將整 個收 到的涂 層試樣 用可澆 注的 環(huán)氧樹 脂（ EPO-THIN 或環(huán)氧化物）封裝起來 。這一步驟可以在切割操 作前將所有敞開的孔隙、 空洞 及 各種 缺陷 填好 。然 后， 經(jīng)過 預(yù)封 裝的 涂 層可 以使 用金 剛石 壓制 切割 片（ 15HC ）在ISOMET 2000 或ISOMET 1000 型精密切割機上進行切割。如果在生產(chǎn)型切割機上用厚的氧化鋁片進行切割，即使試樣經(jīng)過預(yù)封裝，也會造成局部過熱。因此，對于重要的評估工作，不推薦用這種設(shè)備來切割涂層。切下的試樣接著就可以用粒度愈來愈細的碳化硅砂紙制備，再用 3 微米多晶金剛石進行粗拋光和 0。05 微米氧化鋁---MASTERPREP™進行zui終拋光。這一步驟可以獲得將涂層真實本性顯示出的可靠結(jié)果。

問：熱固性鑲嵌是否適用于各種類型熱噴涂涂層？
答：由于存在高溫  （150°C）  和高壓  （4200 英磅/平方英寸，約合 29 MPa），有可能對涂層造成 損傷。致密的非陶瓷涂 層，如WC/Co， 或其它致密的金屬涂層 可以成功地用壓力鑲嵌機進行鑲嵌而不會產(chǎn)生損傷。所有其他涂層都應(yīng)當在 27 英寸汞柱（約合 91。4 kPa）的真空中用可澆注環(huán)氧樹脂（如環(huán)氧化物、EPO-KWICK  ,  EPO-THIN  , EPO-COLOR™）鑲嵌?？蓾沧?br />脂可以在較低溫度（75°F至 170°F，約合 24°C  至 77°C）和常壓下固化，因此消除了涂層產(chǎn)生損傷的可能性，從而可以對涂層特性進行準確的評估。

問 ：為什么有些熱噴涂 實驗室將涂層試樣未 經(jīng)切割的表面進行鑲 嵌而不是用切下的表 面鑲嵌，這樣做可以嗎？  
答：在那些沒有精密金剛石切割機的實驗室，人們在切割熱噴涂涂層試樣時才采用這種辦法。生產(chǎn)用切割機由于使用厚的氧化鋁片，會在切割過程中對涂層造成過多的損傷，因此磨光時也需要去除過多的變形。用未經(jīng)切割的表面進行鑲嵌，估計就是為了排除這一問題。但是這樣做會在磨成平面階段中要除去 1--2 毫米的材料。新型高速精密切割機（ISOMET 2000 或ISOMET 1000）只對涂層造成zui低限度的損傷，從而使實驗室人員可以用切割面來鑲嵌試樣。這兩種辦法都是可以接受的，但是采用金剛石精密切割機可以減少金相制備zui初階段所需的工作量。