周辰， 孫會(huì)來(lái)， 侯保振， 常文杰， 公彥剛

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院),山東 濟(jì)南 250353)

0 前言

電弧噴涂是噴涂技術(shù)[1-2]的常用方式，在工農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛，特別是裝飾、耐磨和防腐方面應(yīng)用頻繁。對(duì)于磨損嚴(yán)重、無(wú)法繼續(xù)使用的花鍵、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸以及汽車(chē)曲軸[3]等機(jī)械零部件，通過(guò)電弧噴涂方式進(jìn)行修復(fù)的效果良好，費(fèi)用占直接換新件費(fèi)用的30%左右。噴涂選用耐磨性較好的材質(zhì)，不僅能保證工件在修復(fù)后再次應(yīng)用，其生命周期也有所延長(zhǎng)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，因此研究電弧噴涂技術(shù)，對(duì)提高其組織性能有十分重要的意義。

目前對(duì)電弧噴涂技術(shù)往往集中在不同材質(zhì)的選用及原材料的創(chuàng)新上。如黃杰等人[4]在鋁鎂涂層中加入微量的Zr元素，對(duì)AlMg5及 AlMg5-Zr 電弧噴涂涂層的組織和性能進(jìn)行了對(duì)比研究；羅靜等人[5]研究了鋼制汽車(chē)零部件表面電弧噴涂鋁涂層的工藝,設(shè)備及涂層的性能,并和火焰噴涂鋁方法進(jìn)行了性能及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比；田浩亮等人[6]分析了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的使用工況和失效形式,噴涂材料的選擇直接影響再制造曲軸的涂層性能和使用壽命[7],探討了不同粉芯填充物和稀土元素對(duì)提高涂層結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性，對(duì)研制新型電弧噴涂絲材有理論指導(dǎo)意義[8]。

該試驗(yàn)采用不同的電流以及電壓噴涂相同的線材，制備NiAl/3Cr18Mo復(fù)合涂層，并利用超景深三維顯微系統(tǒng)觀察組織結(jié)構(gòu)、對(duì)性能進(jìn)行分析。探討電流和電壓的變化對(duì)涂層組織及性能變化的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

該試驗(yàn)采用的QD8-D-400型電弧噴涂設(shè)備是由上海噴涂機(jī)械廠所制造的，其組成部分有噴涂電源、電弧噴槍、送絲機(jī)構(gòu)和空氣壓縮機(jī)等;采用低碳鋼作為基體材料，其試樣的長(zhǎng)寬高分別為60 mm×30 mm×3 mm；將直徑為2 mm的實(shí)心NiAl，3Cr18Mo作為噴涂線材，成分見(jiàn)表1。具體成分如下：結(jié)合層絲材為NiAl成分，其中鎳(Ni)占95%、余量為鋁(Al)。

表1 3Cr18Mo成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

電弧噴涂的工藝參數(shù)包括：噴涂電流、噴涂電壓、噴涂距離、霧化空氣壓力、噴涂角度。表2為該試驗(yàn)采用的工藝參數(shù)。

表2 電弧噴涂工藝參數(shù)

利用超景深三維顯微系統(tǒng)觀察分析涂層表面和截面微觀形貌及組織分布，選擇合適的工藝參數(shù)；利用電子顯微硬度儀測(cè)量涂層硬度，并采集數(shù)據(jù)，但需要選擇多個(gè)區(qū)域測(cè)量多個(gè)硬度值，通過(guò)求平均值，選擇合適的涂層硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧噴涂涂層表面及截面宏觀形貌

涂層的性能受組織形態(tài)的影響，而涂層的組織結(jié)構(gòu)受電弧噴涂時(shí)各個(gè)工藝參數(shù)的影響，但噴涂過(guò)程中電流和電壓在一定程度上決定了涂層的組織結(jié)構(gòu)。

該試驗(yàn)分別采用噴涂電流和電壓作為試驗(yàn)的變量噴涂相同的金屬絲材，噴涂后的表面的宏觀形貌如圖1所示。

圖1a～圖1d涂層的電壓恒定在32 V不變，電流不斷變化。如圖1a所示：當(dāng)電流較小時(shí)，涂層表面的熔滴粒子尺寸較小，且排列均勻無(wú)過(guò)大的熔滴粒子，涂層表面粗糙度較低；隨著電流的增大，熔化量增多，熔滴粒子在電弧發(fā)生短路時(shí)熔化較多的絲材，從而形成較大的熔滴粒子，其在壓縮空氣和熔滴力粒子自身重量的雙重作用下撞擊到基材表面，導(dǎo)致涂層最表層的熔融粒子間隔較大，排列較松散，表面粗糙度升高。

圖1 NiAl/3Cr18Mo涂層的表面形貌

圖1e～圖1h涂層的電流恒定在200 A不變，電壓不斷變化。從圖1f可以看出：噴涂電壓在32 V時(shí)熔融粒子具有較為良好的熔化效果及較高的沉積率。如圖1e所示：當(dāng)電壓較小時(shí)，絲材不能穩(wěn)定燃燒，熔化效果不佳，熔滴粒子撞擊涂層表面時(shí)無(wú)法黏著，因此涂層的表面粗糙度較低；隨著電壓的增大，情況有所改善，但噴涂電壓值不能過(guò)大，如圖1h所示：過(guò)大的噴涂電壓會(huì)嚴(yán)重?zé)龘p絲材中的元素，當(dāng)金屬液滴含氣量過(guò)高時(shí)，凝固時(shí)氣體析出，導(dǎo)致孔隙率提高，粗糙度升高。因此在保證電弧穩(wěn)定燃燒和工作效率的情況下，應(yīng)該盡量選擇盡可能低的噴涂電壓進(jìn)行噴涂。

采用超景深三維觀察顯微系統(tǒng)觀察NiAl3Crl8Mo截面形貌如圖2所示。從圖2a涂層和圖2e涂層的截面可觀察到有未熔及半熔顆粒黏在涂層表面,這是因?yàn)楫?dāng)電壓和電流較小時(shí)，絲材不能穩(wěn)定熔化，且噴涂絲材熔化不充分，熔滴尺寸較小冷凝速度快造成的?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)比圖2中的圖2a～圖2d涂層可看到，涂層最表層的熔融粒子間隔逐漸變大，且排列較松散，表面粗糙度變大；這是因?yàn)楫?dāng)電壓恒定時(shí)，隨著電流的增大，熔化量增大，熔滴粒子在電弧發(fā)生短路時(shí)熔化較多的絲材，導(dǎo)致熔滴粒子尺寸變大所造成的；同時(shí)，對(duì)比圖2中的圖2e～圖2h涂層可看到，當(dāng)電流恒定時(shí)，隨著電壓的增大，絲材的燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，熔滴粒子的尺寸也逐漸變大，導(dǎo)致涂層表面突出粒子增多，表面粗糙度升高。

圖2 NiAl/3Cr18Mo涂層的截面形貌

2.2 電弧噴涂電流及電壓對(duì)顯微組織的影響

圖3為6組不同工藝參數(shù)條件下制備的NiAl/3Cr18Mo復(fù)合涂層的微觀組織結(jié)構(gòu),通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴涂電壓為32 V、電流為200 A時(shí)復(fù)合涂層組織較致密、孔隙較少、涂層與基體之間的結(jié)合較好。

圖3 涂層微觀組織形貌

在電壓恒定的情況下，從圖3a可以明顯的看出，涂層呈現(xiàn)出典型的層狀結(jié)構(gòu)特征，其中嵌有呈深灰色的條狀組織，該組織中含氧量較高，為Cr的氧化物；黑色層狀為碳化物，是由于碳化物燒損嚴(yán)重而產(chǎn)生的；還有部分深黑色孔狀組織，該組織為空氣氣孔；然后從超景深三維觀察顯微系統(tǒng)拍得的圖3b、圖3d可以看出，隨著噴涂電流的增大，絲材的熔化量增加，霧化的金屬液滴所含的熱量增加，當(dāng)高速飛行的霧化金屬液滴與基體表面連續(xù)撞擊時(shí)，有利于金屬液滴均勻的展開(kāi)，涂層孔隙減少，涂層的致密性有了很大的提高；但噴涂電流不能過(guò)大，當(dāng)金屬液滴含氣量過(guò)高時(shí)，凝固時(shí)氣體析出，導(dǎo)致孔隙率提高，進(jìn)而導(dǎo)致硬度下降。

在電流恒定的情況下，從圖3e～圖3h試樣的微觀形貌可以看出，圖3e試樣的孔隙明顯比圖3f和圖3h多，這是因?yàn)殡S著噴涂電壓的增大，導(dǎo)致金屬液滴的尺寸增大，涂層中氧化物的含量減少，涂層的致密性提高。而涂層中氧化物的多少主要是由金屬熔滴大小所決定的，熔融金屬液滴尺寸越大自身重量也越大，熔融的金屬液滴與基材碰撞的撞擊力增加，與基材的接觸時(shí)間縮短，所以產(chǎn)生的氧化物較少。

2.3 電弧噴涂電流及電壓對(duì)涂層的顯微硬度的影響

由于電弧噴涂涂層相對(duì)于大塊材料來(lái)說(shuō)，涂厚度比較薄，該次試驗(yàn)采用不同的噴涂電流及電壓，分別測(cè)量涂層橫截面的顯微硬度[9]。利用電子顯微硬度儀觀察將制備好的金相試樣，但需要測(cè)量多個(gè)區(qū)域的硬度值，然后取平均數(shù)作為該涂層的硬度值。在不同工藝參數(shù)下得到的涂層表面顯微硬度值如圖4所示。

該試驗(yàn)選用的3Cr18Mo硬度在HV493以上，但涂層硬度不會(huì)與噴涂材料硬度相同，因?yàn)槿廴陬w粒到達(dá)基體表面形成涂層的過(guò)程中，其孔率等增加，所以涂層硬度低于顆粒硬度。

圖4 涂層的顯微硬度

從圖4a中可以看出電流在160A時(shí)硬度與絲材硬度相比下降很大，但是隨著電流的增加硬度也隨之增加，這是因?yàn)椋弘S著電流的增大，熔化溫度逐漸增高，使絲材得到充分的熔化，獲得的能量增加，熔滴粒子在基體表面可以得到充分的鋪展，使涂層的致密性提高，顆粒間的內(nèi)聚力提高，從而涂層的結(jié)合強(qiáng)度上升，涂層硬度提高。但電流也不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致絲材燒損嚴(yán)重，因此，在保證涂層質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量選用大的噴涂電流。

噴涂電壓的大小一定程度上決定了絲材能否穩(wěn)定燃燒，當(dāng)噴涂電壓較低時(shí)， 電弧就不能穩(wěn)定的燃燒，不能得到質(zhì)量良好的涂層；隨著電壓的增大，電弧的燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，在絲材接觸的瞬間產(chǎn)生的熱量增加，絲材熔化較充分。但是從圖4b中可以看出，不能把噴涂電壓值設(shè)定的過(guò)大，過(guò)大的電壓會(huì)使絲材中的元素?zé)龘p嚴(yán)重，當(dāng)金屬液滴含氣量過(guò)高時(shí)，凝固時(shí)氣體析出，導(dǎo)致孔隙率提高，進(jìn)而導(dǎo)致硬度下降[10]。

3 結(jié)論

(1)隨著噴涂電流的不斷增大，熔融溫度升高，熔滴粒子熔融的更加充分、尺寸更大，熔滴顆粒間的內(nèi)聚力提高，因此涂層的結(jié)合力上升，氧化物減少，涂層硬度提高；但噴涂電流不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致絲材中的元素嚴(yán)重?zé)龘p，洞孔增多，硬度下降。

(2)隨著噴涂電壓的不斷增大，絲材的燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，絲材被充分熔化，而熔滴的冷凝速率有所減慢，基體表面的熔滴可以充分展開(kāi)，提高扁平化程度，使其致密性有所增加，同時(shí)熔滴粒子粘聚力逐步增強(qiáng)，提升了涂層的結(jié)合力；但是噴涂電壓不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致絲材中的元素嚴(yán)重?zé)龘p，當(dāng)金屬液滴含氣量過(guò)高時(shí)，凝固時(shí)氣體析出，導(dǎo)致孔隙率提高，進(jìn)而導(dǎo)致硬度下降。

(3)為得到致密的涂層，減少涂層中的氧化物，控制涂層的碳元素?zé)龘p，得到硬度高的涂層，建議采用合適的噴涂電流和電壓，近的噴涂距離和穩(wěn)定的噴涂壓力。