高熵合金熱噴塗層之高溫特性與應用機會

 

刊登日期:2021/4/26
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呂明生、劉武漢、蕭威典/工研院材化所
 
高熵合金發展至今超過20年;針對各類型之合金成份組合、製程以及特性研究已有大量文獻資料及報告發表,其中最引人注目的材料應用特性還是在耐磨耗及耐高溫之性能表現。本篇文章主要介紹工研院材化所應用高速火焰熔射熱噴塗製程技術,研發製作具高溫應用潛力之AlCoCrFeNiSi 高熵合金塗層,可以製作出高膜厚(≦160 μm),低孔隙率(<1 %)之合金塗層。機械特性分析結果顯示;AlCoCrFeNiSi 高熵合金熱噴塗層之表面硬度可達約Hv650以上,而塗層與基材之鍵結強度也可達8000 psi以上。此外,在高溫特性研究分析結果顯示,本研究之高熵合金塗層在大氣下升溫達1000℃時;其重量增加小於2 %以內,而當溫度升高至800℃時,其硬度值還有高達約420 Hv,顯示此成份之高熵合金塗層比起其他合金材料在高溫環境下更具抗氧化特性,並可維持一定之機械強度。
 
一、前言
現代科技工業發展日新月異,也同時增加了對新合金材料技術開發的需求。傳統合金系統以1~2種元素形成金屬基底等組成合金,組成合金通過添加少量不同元素,通常添加10種以內各類包括改善組織組成、機械、增強耐化學或光電等性能之元素,而形成各類工程應用或科技用途的合金系統。而高熵合金被證明是當今材料科學和工程領域的一項創新發明。高熵合金與傳統合金相比,則具備更多優異的性能,包含耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度等。因此高熵合金的開發,可以大幅提升合金的性能,也擴大金屬材料在未來應用的選擇範圍。這些合金的優異性能是基於或由其晶體結構以及化學組成決定的,而化學組成是其微觀結構上最重要的特性依據。傳統合金由於可用的有限強化機制而無法在高溫下保持其硬度,而高熵合金則由於位錯反應,二次相強化以及單相固體之類的多種強化機制而在高溫下具有更好的硬度。
 
在《工業材料雜誌》中已有文章介紹因應各式各樣的工業用途;高熵合金的製備方法也多元化的發展,目前高熵合金的研究方向主要有:塊體、粉體、塗層、薄膜、厚膜、箔材以及複合類高熵合金等。而其中高熵合金塗層的製備方法主要有雷射熔覆法(Laser Cladding Method)、熱噴塗法(Thermal Spraying Method)。其中熱噴塗技術製作塗層具有快速成膜的優點,以及噴塗材料到達基體表面後具有快速凝固的特點,且塗層材料的種類並不需要與基材相同,例如可以將金屬、陶瓷或是複合材料製作在異質基材上。1980年代開發出高速火焰熔射(High Velocity Oxygen Fuel; HVOF)技術,高速火焰熔射技術藉由氧燃氣混合的爆炸,所形成之塗層具有極高的鍵結強度及極低的孔隙率。此外,也由於膜層之形態較為緻密,因此熔射所得塗層表面相當平整,高速火燄熔射塗層已被廣泛應用在各種耐磨耗或抗高溫腐蝕及高溫氧化等的應用領域。
 
二、製程特性及原理說明
熱熔射製程技術是藉由加熱源之加熱,將欲噴塗材料加熱熔融後,藉由氣體之推力,將熔融及半熔融材料噴塗至工件表面形成塗層之技術,噴塗材料之型態可以是線材、棒材或粉末的形式,藉由熱熔射技術沉積法將塗層披覆於基材上,以製作研究分析塗層試片。熱熔射技術由熱能的來源可以分成電能和燃燒能兩種,其中以電能供給熱能的方式可以細分為電漿熔射和電弧熔射兩種技術。而以燃燒為供給熱源方式的製程,則可分為火焰熔射和高速火焰熔射兩種技術,熱熔射製程及其塗層特性說明如圖一所示。
 
圖一、熱熔射製程設備及其製作之塗層特性說明
圖一、熱熔射製程設備及其製作之塗層特性說明
 
以下將介紹工研院材化所採用的高速火焰熔射製程方法及設備;高速火焰熔射設備是選用JP 5000熔射系統,此系統的設計原理是藉由燃氣和氧氣的混合因不完全燃燒而爆炸產生的超音速氣流及熱能,並將高壓氣體送入槍管內,在未輸入粉末的情況下可將氣流加速到2至6倍音速的速率,而火燄溫度可達2000℃ ~3000℃。熱熔射噴塗之製程一開始;控制適當流量之粉末送入燃燒/爆炸區域受熱至熔融狀態,會隨高速氣流以1至3倍音速的速率(輸入粉末有承載重力的情況下速度會下降),將熔融的材料加速噴覆到基材表面上形成緻密塗層,噴塗槍與試片基板控制距離約15英吋(~380 mm)。塗層和基材的鍵結強度可以高達約為7000~12000 psi,而塗層孔隙率則可控制到0.3~5 %以內,配合機械手臂及製程調控,噴塗製作之工件試片可以符合工業化需求。
 
高熵合金塗層熔射使用之AlCoCrFeNiSi合金粉體原料是由工研院材化所自行研製,從元素材料成分設計開始,可以區分為原物料準備、實驗試片前處理、氣噴霧製作合金粉體到應用高速火焰熔射噴塗製作膜層,以及後續試片分析等部份,如圖二所示---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、高熵合金塗層製備及分析示意圖
圖二、高熵合金塗層製備及分析示意圖

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