QATM 奥德镁 | 一文了解氧化铝热喷涂涂层的金相制备、相分析和硬度测试

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关于氧化铝热喷涂涂层

氧化铝（Al₂O₃）是热喷涂技术中应用最广泛的陶瓷材料之一。Al₂O₃基喷涂涂层具有耐高温、耐腐蚀和耐磨、高电阻率及成本低等优异特性，广泛应用于航空航天、泵类阀门、纺织与化纤机械、石油化工及电绝缘等工业领域。

获得Al₂O₃喷涂涂层的工艺方法包括大气等离子喷涂（APS）、高速氧燃料（HVOF）喷涂、超音速空气燃料喷涂、粉末火焰喷涂等。其核心区别在于热源和颗粒加速方式，这直接决定了涂层的质量、孔隙率、结合强度和适用场景。对于绝大多数工业应用，大气等离子喷涂是Al₂O₃涂层的首选和基准工艺，其相组成通常为亚稳态的 γ-Al₂O₃ 为主，并含有一定比例的稳定 α-Al₂O₃。涂层结构呈典型的层状，内部存在孔隙、微裂纹和未熔颗粒。一般来说，Al₂O₃涂层随着晶粒尺寸和孔隙率的增加，显微硬度会降低。因此在粉末尺寸方面尽量选择较小且不堵塞喷枪的粒径，以获得更致密的氧化铝涂层。

获得Al₂O₃热喷涂涂层的主要工艺方法

此外，为改善纯Al₂O₃涂层的韧性或特定性能，有时候也通过加入其它氧化物作为缓冲相的方式，比如通过加入TiO₂提高涂层致密度、韧性和结合强度（尤其适用于耐磨耐蚀工况）以及加入ZrO₂提高韧性和抗热震性。

氧化铝热喷涂涂层的制备难点

Al₂O₃热喷涂涂层由于硬度高（HV 1000-2000）、脆性大，且与金属基体性质差异大，所以样品的金相制样极具挑战性。制备后，首要的问题是确认涂层是否制备正确——在显微镜/扫描电子显微镜下观察到的图像究竟是真实的，还是微观结构中存在制样假象。QATM 根据德国焊接与相关工艺协会（DVS）的热喷涂涂层标准规范（如DVS2310-3）制定制备方法，可确保正确制备热喷涂喷涂层样品，清晰显示无假象的显微组织结构，包括真实完整的孔隙和层状结构，涂层厚度、界面结合状态、相组成以及可能的裂纹缺陷等。

01切割取样

热喷涂涂层切割过程应轻柔且精准，同时确保充分的冷却，防止因为机械应力或热应力导致涂层损坏、开裂或脱落。建议使用精密切割机，避免过快的进给速度（过高的进给率易使层中出现裂纹）。样品应以先切割涂层再切割基材的方式夹持，防止涂层脱离基材。

QATM Qcut 200A精密切割机及单垂直夹具样品固定

02镶嵌

切割后的Al₂O₃热喷涂涂层样品首选冷镶嵌，使用低粘度环氧树脂如QATM Qpox 92进行真空浸渍镶嵌。真空环境能使树脂充分渗入涂层的孔隙和裂纹中，在后续磨抛时起到支撑作用，避免出现“倒角”和“脱落”等现象。

热喷涂样品应慎用热压镶嵌，这是因为高温和压力可能加剧涂层开裂或涂层和基体剥离，在某些情况下也会改变孔隙的空间形貌率及孔隙率。

QATM Qpox 92环氧树脂冷镶嵌Al₂O₃热喷涂涂层样品

03研磨抛光

Al₂O₃热喷涂涂层样品的磨抛过程应遵循 “轻压力、慢速度、勤冷却” 的原则，磨抛压力和磨盘及试样夹具的转速都应适当降低。磨光时可采用磨盘或新砂纸；为去除切割过程对涂层可能造成的损坏或相脱落，初始研磨步骤的材料去除量应不小于0.5 毫米。9微米和3微米抛光步骤可在精磨盘或较硬的抛光布上进行以确保试样平整度及避免边缘倒角。对于孔隙度较高的样品，软相或杂质可能转移到孔隙中，致使检验结果显示孔隙很少。此时需要适当延长抛光时间，“打开”孔隙。