韓冰源 楚佳杰 周克兵 朱 勝

1.江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，常州，2130012.陸軍裝甲兵學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100072

0 引言

熱噴涂作為重要的表面工程技術(shù)，已逐漸成為裝備表面性能強(qiáng)化和損傷零部件延壽的一種重要手段。從本質(zhì)上而言，熱噴涂涂層是由大量噴涂粒子(陶瓷、金屬、金屬-陶瓷等)經(jīng)高溫?zé)嵩?等離子弧、電弧、丙烷等)加熱熔化后，以較高速度撞擊基體并迅速鋪展凝固，逐層堆積而成的，在航空航天、交通運(yùn)輸、冶金鋼鐵、化工與能源、機(jī)械制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。然而，伴隨其他表面技術(shù)的接續(xù)出現(xiàn)以及各類裝備在面對不同工況時(shí)對涂層綜合性能等要求的提升，熱噴涂涂層的缺陷逐漸暴露，比如涂層孔隙、微裂紋較多，涂層與基體結(jié)合力弱，涂層耐腐蝕、耐磨損等性能也難以達(dá)到預(yù)想要求等[5-8]。這些典型缺陷會降低涂層的質(zhì)量從而縮小涂層的應(yīng)用范圍和縮短涂層的使用年限。

為突破制約涂層性能提升的瓶頸，各種相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。除了通過噴砂、激光織構(gòu)、干冰噴射輔助沉積等預(yù)處理技術(shù)外，后處理技術(shù)也是涂層質(zhì)量優(yōu)化的重要研究方向之一，比較常見的有重熔、熱等靜壓、噴丸等技術(shù)[9-12]。重熔技術(shù)作為應(yīng)用最廣泛且最有效的調(diào)控涂層質(zhì)量、優(yōu)化涂層性能的表面技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者青睞。

重熔技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用熱源將涂層中熔點(diǎn)較低的部分再次熔化，使得形成的液相滲透和擴(kuò)散，降低甚至消除孔隙、裂紋等缺陷，從而獲得更加光滑的涂層形貌，改善涂層的硬度、韌性、結(jié)合強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)等，提升涂層的綜合性能[13]。特別是長期在惡劣環(huán)境中工作的裝備，通過適當(dāng)?shù)闹厝奂夹g(shù)增強(qiáng)涂層的耐磨性與耐腐蝕性可以擴(kuò)大涂層的應(yīng)用范圍及延長使用壽命[14]。本文介紹了激光重熔[15-16]、感應(yīng)重熔[17]、鎢極氬弧重熔[18]等重熔技術(shù)在涂層缺陷含量、力學(xué)性能、綜合服役性能等方面的研究進(jìn)展，以期為相關(guān)領(lǐng)域的科技人員和研究人員提供參考。

1 激光重熔技術(shù)

激光重熔是采用高能的激光束輻照在基體表面材料，利用熱量傳遞達(dá)到快速熔化和凝固的效果，從而形成與基體性質(zhì)不同且涂層與基體為冶金結(jié)合的一種激光熱處理技術(shù)。激光具有很高的能量密度和穩(wěn)定的輸出功率，重熔后可以減少涂層表面的微裂紋、孔隙和半熔融顆粒/氧化夾雜等，形成表面光滑的激光重熔層，大幅度提高涂層質(zhì)量[19-20]。圖1為激光重熔示意圖。

圖1 激光重熔示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser remelting

1.1 涂層缺陷含量

孔隙、微裂紋，未熔顆粒等缺陷在熱噴涂制備的涂層中較為常見，對涂層的性能有著重要影響，因此，如何減少甚至消除這些缺陷成為研究的熱點(diǎn)。紀(jì)秀林等[21]利用激光對電弧噴涂Fe基涂層進(jìn)行重熔，圖2所示為重熔前后涂層的橫截面形貌，可以看出重熔前涂層存在部分孔隙，基體和涂層間有微裂紋產(chǎn)生，表面粗糙，結(jié)合方式為典型的機(jī)械結(jié)合。經(jīng)過激光重熔后，涂層孔隙、微裂紋基本消失，涂層光滑致密，結(jié)合方式變?yōu)榻Y(jié)合強(qiáng)度更高的冶金結(jié)合。趙運(yùn)才等[22]通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析比較了WC/Fe涂層表面和截面激光重熔前后的變化，發(fā)現(xiàn)WC顆粒在激光的作用下再次熔化，涂層中只存在少量的孔隙和裂紋，層狀結(jié)構(gòu)基本得到消除，涂層致密性有了明顯提高。YU等[23]驗(yàn)證了不同的激光參數(shù)下激光重熔Al2O3-ZrO2涂層有著明顯的差異。合適的激光功率和掃描速度使得激光處理后涂層的顯微組織更加均勻和致密，當(dāng)激光掃描速度較慢或者較快時(shí)，重熔涂層表面會出現(xiàn)裂紋，激光功率和掃描速度分別為600 W和1000 mm/min時(shí)，涂層的裂紋和孔洞數(shù)量最少。對比文獻(xiàn)[21-23]研究可知，對于不同涂層種類，合理控制激光重熔參數(shù)均能有效消除涂層孔隙、裂紋等缺陷，進(jìn)一步提高涂層表面形貌光滑度。

(a)噴涂涂層橫截面形貌

1.2 涂層力學(xué)性能

涂層的力學(xué)性能是評價(jià)涂層性能的重要因素，人們對此給予極大的關(guān)注。常見的評價(jià)指標(biāo)有顯微硬度、斷裂韌性、內(nèi)聚強(qiáng)度、界面結(jié)合強(qiáng)度等[24-26]。KE等[27]利用顯微硬度計(jì)和電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測試了重熔前后氧化鈦涂層的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)重熔后氧化鈦涂層的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度都有了明顯的提高。盛忠起等[28]也對電弧噴涂Fe基涂層進(jìn)行了激光重熔處理，結(jié)果表明：重熔后涂層的平均顯微硬度增大至原來的1.3倍。文獻(xiàn)[27-28]的研究表明，激光重熔對顯微硬度的提高有著積極的作用。文獻(xiàn)[28]的實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步采用壓痕法比較了重熔層和噴涂層的斷裂韌性，由圖3可知，重熔前涂層施加載荷達(dá)到4.9 N時(shí)開始出現(xiàn)裂紋(圖3bA處)，當(dāng)載荷達(dá)到9.8 N時(shí)裂紋擴(kuò)展更為明顯(圖3cB處)。重熔后，在相同載荷下，涂層表面均沒有顯微裂紋出現(xiàn)的痕跡，即重熔處理后涂層的斷裂韌性得到明顯改善。SUN等[29]利用激光重熔技術(shù)在S355鋼上加工電弧噴涂鋁涂層，研究發(fā)現(xiàn)重熔消除了鋁涂層中的氣孔和內(nèi)部裂紋，在鋁和鐵之間生成了新的化合物，提高了涂層基體的結(jié)合強(qiáng)度。對比重熔前后鋁涂層的界面形態(tài)以及電弧噴涂鋁涂層的線掃描分析(圖4)可知，重熔后鋁涂層厚度減小，基體中也檢測到鋁元素，這進(jìn)一步表明激光重熔后在結(jié)合界面產(chǎn)生了化合物，涂層與基體形成了冶金結(jié)合。

(a)重熔前(載荷2.94 N) (b) 重熔前(載荷4.9 N) (c) 重熔前(載荷9.8 N)

(a)重熔前界面形貌 (b)重熔后界面形貌

1.3 涂層綜合服役性能

耐磨、耐腐蝕等性能作為評價(jià)涂層綜合性能的重要因素，受到研究者廣泛關(guān)注。熱障涂層(thermal barrier coatings，TBCs)作為一種高溫?zé)嵴戏雷o(hù)結(jié)構(gòu)的涂層-基體體系，具有隔熱、耐腐蝕等功能，被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)與大型燃?xì)廨啓C(jī)制造過程中，增加其耐磨耐蝕性能至關(guān)重要。DAS等[30]對火焰噴涂和激光重熔氧化鋁涂層在94%沸騰的硫酸溶液中進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)，對兩種涂層進(jìn)行24 h的測試發(fā)現(xiàn)，激光重熔涂層比噴涂涂層更耐腐蝕。分析其原因?yàn)閲娡砍练e過程中，火焰噴涂氧化鋁涂層具有典型的特征，如多孔性、內(nèi)部裂紋等，激光重熔則消除了噴涂涂層的層狀結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生了垂直于涂層表面的柱狀微結(jié)構(gòu)，因此，噴涂涂層在沸騰的硫酸溶液中更容易腐蝕。杜輝輝等[31]通過不同掃描軌跡對涂層表面進(jìn)行激光重熔，研究發(fā)現(xiàn)，不論哪種掃描軌跡，激光重熔涂層較噴涂層均表現(xiàn)出更好的摩擦性能，磨損量較小，耐磨性更好。ZHANG等[32]和虞禮嘉等[33]則研究了激光重熔改性YSZ熱障涂層的熱腐蝕行為，由ZHANG等[32]的研究可知，激光重熔涂層的抗熱腐蝕能力明顯優(yōu)于噴涂涂層，分析認(rèn)為是由于噴涂涂層中的氣孔和微裂紋等缺陷會為熔鹽滲透提供途徑，通過激光重熔后涂層表面粗糙度降低，微觀結(jié)構(gòu)更為致密，很大程度上減少了腐蝕實(shí)驗(yàn)中熔鹽的滲透。虞禮嘉等[33]通過對比涂層重熔前后的物相組成和腐蝕質(zhì)量損失發(fā)現(xiàn)，經(jīng)激光重熔處理之后熱障涂層的耐蝕性能同樣得到了進(jìn)一步提高。總體來說面對不同噴涂方法以及不同的涂層體系，激光重熔技術(shù)通過改善涂層形貌、增加涂層物相組成等方法，在提高涂層耐磨耐蝕等性能方面有著重要的應(yīng)用。

2 感應(yīng)重熔技術(shù)

感應(yīng)重熔技術(shù)主要是通過感應(yīng)加熱，使試樣和涂層中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)來加熱和熔化涂層。重熔前先在試樣表面上沉積適量的自熔性合金涂層，然后將試樣置于通有交變電流的加熱線圈中，利用電流或者渦流產(chǎn)生的熱量加熱熔化涂層，當(dāng)溫度達(dá)到涂層材料熔點(diǎn)時(shí)，會產(chǎn)生大量液相。隨著感應(yīng)線圈的移動，涂層表面溫度逐漸降低，開始冷卻、凝固，形成致密且能和基體產(chǎn)生冶金結(jié)合的涂層[34-35]。圖5為感應(yīng)加熱原理示意圖[17]。

圖5 感應(yīng)加熱原理示意圖[17]Fig.5 Schematic diagram of induction heating principle[17]

2.1 涂層缺陷含量

DONG等[36]研究了感應(yīng)重熔對等離子噴涂鎳基合金涂層組織和耐磨性的影響，發(fā)現(xiàn)涂層與基體(AISI 1045鋼)界面處由于元素?cái)U(kuò)滲，形成了一條白亮帶。圖6為等離子噴涂Ni基涂層感應(yīng)重熔前后截面形貌圖，可以看出噴涂涂層中的微裂紋和層狀結(jié)構(gòu)明顯，并且存在孔隙和未熔化的顆粒；感應(yīng)重熔后，涂層中的微裂紋和孔洞被消除。感應(yīng)重熔后涂層的孔隙率從3.9%降低到0.4%，界面上形成的亮白線是冶金結(jié)合的典型特征。CHEN等[37]通過對比等離子噴涂NiCrBSi-TiN復(fù)合涂層和經(jīng)過感應(yīng)重熔后涂層的性能變化，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)重熔同樣是通過消除氣孔和微裂紋等缺陷以及改善片層間結(jié)合方式提升NiCrBSi-TiN復(fù)合涂層質(zhì)量的。

(a)噴涂涂層

2.2 涂層力學(xué)性能

DONG等[36]進(jìn)一步比較了重熔涂層和噴涂涂層的顯微硬度變化，由圖7可以看出，重熔前后的顯微硬度平均值分別為850HV0.1和1170HV0.1，數(shù)值上有了明顯增大。此外，相比于噴涂層，重熔后的涂層在界面處顯微硬度波動更小，進(jìn)一步說明在界面處元素發(fā)生了擴(kuò)散，相組成復(fù)雜。張生欣等[38]采用JQ25kW型高頻感應(yīng)爐對火焰噴涂鎳基碳化物金屬陶瓷復(fù)合涂層進(jìn)行了感應(yīng)重熔，重熔后復(fù)合涂層的結(jié)合方式發(fā)生了變化，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度得到了提高。解芳等[39]為了提高涂層的硬度采用了兩種方法，感應(yīng)重熔后的涂層硬度增大，但硬度值變化不均勻，而等溫淬火處理后涂層硬度增大更為明顯，同時(shí)硬度極差減小，涂層具有更加穩(wěn)定的力學(xué)性能。趙銳等[40]對火焰噴涂Ni基涂層進(jìn)行了感應(yīng)重熔處理，發(fā)現(xiàn)重熔前由于涂層與基體結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合，元素不能在涂層和基體間發(fā)生相互擴(kuò)散，所以顯微硬度值在界面處有明顯的陡變過程。經(jīng)重熔處理后，涂層硬度值波動較小，平均硬度也有所增大，基體向涂層的硬度值變化呈現(xiàn)近似線性的緩慢增長。對比以上研究可知，同一涂層盡管采用不同噴涂方法，經(jīng)過感應(yīng)重熔后，通過消除涂層微缺陷，改變與基體結(jié)合方式，均能有效提高涂層的力學(xué)性能。

圖7 重熔前后涂層的橫截面顯微硬度曲線[36]Fig.7 Cross section microhardness curves of coating before and after remelting[36]

2.3 涂層綜合服役性能

DONG等[41]在AISI 1045鋼表面制備了鎳基等離子噴涂層，并采用感應(yīng)加熱的方法進(jìn)行了重熔，在此基礎(chǔ)上，研究了兩種涂層在不同接觸應(yīng)力下的滾動/滑動接觸疲勞行為。結(jié)果表明，噴涂層的滾動/滑動接觸疲勞性能很差，界面脫層是唯一的失效模式，而重熔層表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞性能，其綜合性能也明顯優(yōu)于噴涂涂層。楊效田等[42]對離子噴涂Ni60合金涂層進(jìn)行感應(yīng)重熔，并在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了強(qiáng)制冷卻處理，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對3種涂層在載荷200 N下進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，磨損形貌如圖8所示。從圖8a噴涂涂層到圖8b感應(yīng)重熔涂層再到圖8c強(qiáng)制冷卻涂層，不規(guī)則的凹坑逐漸消失，劃痕也越來越淺，表面塑性變形痕跡也不再明顯，摩擦表面越來越光滑。對比可知，涂層的耐磨性能在感應(yīng)重熔之后有了明顯提高，經(jīng)過強(qiáng)制冷卻處理后的重熔涂層耐磨性又上升了一個(gè)梯度。LIANG等[43]研究了火焰噴涂結(jié)合火焰重熔和火焰噴涂結(jié)合感應(yīng)重熔兩種不同的重熔工藝對鎳基合金涂層組織特征和磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)感應(yīng)重熔處理的涂層比經(jīng)火焰重熔處理的涂層在耐磨性能方面更優(yōu)且均高于噴涂層性能。VALEAN等[44]也分析了這兩種不同的重熔方法，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)重熔工藝可以成功地應(yīng)用于熱噴涂涂層，以改善涂層機(jī)械特性和耐腐蝕性，與火焰重熔的樣品相比，感應(yīng)重熔的樣品顯示出更高的硬度和更好的耐腐蝕性，這與LIANG等[43]得到的結(jié)論一致。對比以上分析容易得知，感應(yīng)重熔通過顯著降低涂層的孔隙率、改變物相組成、增強(qiáng)涂層的力學(xué)性能增強(qiáng)其耐磨耐蝕性能，同時(shí)感應(yīng)重熔技術(shù)常和其他后處理技術(shù)相結(jié)合，以期達(dá)到更好的效果。

(a)噴涂涂層 (b)感應(yīng)重熔涂層

3 鎢極氬弧重熔技術(shù)

鎢極氬弧采用電弧束作為熱源對基體的表面進(jìn)行強(qiáng)化，電極選擇熔點(diǎn)極高的鎢及其合金棒，重熔過程中能夠始終保證電弧長度不變。同時(shí)在保護(hù)氣氬氣作用下，阻止了重熔過程中與空氣的接觸，從而很大程度上杜絕空氣中的其他介質(zhì)與熔化金屬發(fā)生一系列反應(yīng)，從而降低重熔時(shí)合金元素的燃燒損失以及氧化損失，保證了重熔過程的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于零件表面改性處理[45-46]，其原理如圖9所示[47]。

圖9 鎢極氬弧重熔原理示意圖[47]Fig.9 Schematic diagram of tungsten argon arcremelting principle[47]

3.1 涂層缺陷含量

董天順等[48]對大氣等離子噴涂Fe基涂層進(jìn)行了氬弧重熔處理，對涂層的X射線衍射圖以及微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果表明：重熔后Fe基涂層表面光滑均勻，層狀結(jié)構(gòu)消除，涂層中凹坑、凸起、微裂紋以及未熔顆粒幾乎消失，孔隙率降低到0.4%，比噴涂層降低了近10倍，涂層組織更為致密，噴涂層與基體的結(jié)合方式轉(zhuǎn)為冶金結(jié)合。在DONG等[49]的實(shí)驗(yàn)中，從噴涂和重熔涂層橫截面的形態(tài)特征的掃描電鏡圖像(圖10)可以直觀看出，重熔涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比噴涂涂層更致密。進(jìn)一步從元素變化分析可知，在噴涂涂層上鉻、硅和鐵元素由于噴涂涂層和基體是機(jī)械結(jié)合而從基體突然變化到涂層。然而，在重熔的涂層樣品上，觀察到鉻、硅和鐵元素是從基體到涂層逐漸變化，更加解釋了涂層與基體強(qiáng)冶金結(jié)合的形成原因。蹤雪梅等[50]采用重熔技術(shù)對電弧噴涂Fe基涂層進(jìn)行重熔處理，對比重熔前后涂層可知，氬弧重熔技術(shù)很大程度上消除了噴涂層中的未熔顆粒、氣孔和顯微裂紋等缺陷。

(a)噴涂涂層

3.2 涂層力學(xué)性能

YUAN等[51]對Ni基涂層進(jìn)行鎢極氬弧重熔處理，結(jié)果表明，鎢極氬弧重熔后，由于涂層內(nèi)部孔隙率降低，裂紋、未熔顆粒和夾雜物數(shù)量大大減少，涂層密度增大，從而涂層硬度趨于均勻，從1007HV0.1提高到1141HV0.1，提高了13.3%，斷裂韌性也提高了321.3%。對比文獻(xiàn)[51]的實(shí)驗(yàn)，董天順等[47]也利用氬弧重熔技術(shù)對Ni基涂層進(jìn)行處理，比較了重熔前后涂層結(jié)合強(qiáng)度和斷裂韌性的大小，在拉伸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)重熔后樣件基本在重熔層與膠接處發(fā)生斷裂，重熔前的樣件大多在涂層與基體接觸部位發(fā)生斷裂，表明重熔涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于膠與樣件的粘接強(qiáng)度且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度。并且由噴涂層與重熔層的壓痕形貌(圖11)可知，噴涂層自身缺陷導(dǎo)致涂層內(nèi)聚強(qiáng)度較低，在顯微硬度計(jì)加載時(shí)易產(chǎn)生裂紋，而重熔處理則通過促進(jìn)基體與涂層中元素的擴(kuò)散，改變物相組成，使得原有的孔隙、微裂紋等缺陷消失，提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度和斷裂韌性。ZHU等[52]利用鎢極氬弧重熔對4Cr5MoSiV1(AISI H13)表面涂層進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)鎢極氬弧重熔層的硬度提高了并且具有較好的抗劃傷性能，但沖擊韌性有所降低。分析是由于重熔后涂層中的裂紋沿著晶界擴(kuò)展，這不同于原始的4Cr5MoSiV1鋼，其斷口呈拉長狀比重熔層的斷口形貌更好。GONG等[53]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同ZHU等[52]研究結(jié)果一致，進(jìn)一步表明，氬弧重熔通過細(xì)化組織，促進(jìn)了元素的均勻擴(kuò)散，提高了重熔涂層的力學(xué)性能。

(a)噴涂涂層

3.3 涂層綜合服役性能

董天順等[54]對重熔前后的Fe基涂層在相同條件下進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明噴涂層和重熔層磨痕的深度和寬度隨著施加載荷的增大而增大，但重熔之后涂層磨痕的深度和寬度相比于噴涂層有了很大程度的減小。在另外一個(gè)Fe基氬弧重熔實(shí)驗(yàn)中，董天順等[54]利用表面輪廓儀獲得重熔前后涂層的三維形態(tài)，發(fā)現(xiàn)噴涂涂層的表面明顯不均勻，而重熔涂層的表面相對光滑，涂層的表面粗糙度大大降低。同時(shí)噴涂涂層的磨損痕跡的長度和寬度大于重熔涂層的磨損痕跡的長度和寬度，噴涂層上縱向截面磨痕底部是不均勻的，表明在磨損過程中，隨著剪切應(yīng)力的連續(xù)切割，微裂紋已經(jīng)擴(kuò)散到涂層中，這種微裂紋的持續(xù)擴(kuò)展將最終導(dǎo)致涂層的失效。在重熔涂層上磨痕縱向截面磨痕是光滑的，表明在磨損過程中幾乎沒有微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。對比兩組實(shí)驗(yàn)可知，不管是從涂層截面三維磨痕的均勻性上還是磨損體積上來看，涂層的耐磨性經(jīng)氬弧重熔處理后都得到了明顯的提高。

4 其他重熔技術(shù)

電子束重熔是在真空環(huán)境下進(jìn)行，將電子束的動能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能傳遞到涂層表面使涂層熔化的一種重熔技術(shù)，該技術(shù)是降低涂層孔隙率和表面粗糙度的有效方法[55]。WU等[56]和LI等[57]分別利用電子束對氧化鋯涂層和鎳-碳化鎢涂層進(jìn)行重熔處理，發(fā)現(xiàn)涂層的微觀結(jié)構(gòu)從層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻骓敳坑芍鶢罱Y(jié)構(gòu)組成的致密重熔層，降低了孔隙率，涂層表面更光滑，顯微硬度等力學(xué)性能提升明顯。JUNG等[58]通過電子束重熔工藝消除了涂層滲氮時(shí)引起的孔隙，顯著改善了涂層的硬度和耐磨性。方超等[59]研究了不同速度的電子束對涂層性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電子束速度為5～15 mm/s時(shí)，涂層的摩擦性能得到明顯提升，且隨著電子束速度的增大摩擦性能越來越優(yōu)異。當(dāng)電子束速度達(dá)到20 mm/s時(shí)，涂層出現(xiàn)新的孔隙，導(dǎo)致涂層的性能相比原來有較大的差距，這是由于在重熔過程中涂層中原有的空氣在電子束的作用下形成氣泡所導(dǎo)致。LIU等[60]研究了電子束重熔工藝對WC-CoCr涂層形貌和相組成的影響，結(jié)果表明：經(jīng)電子束處理后，涂層形成了高硬度的新相，顯微硬度增大為基體硬度的近2倍，涂層的孔隙率降低，未熔顆粒及微裂紋也基本得到消除。此外，重熔層在鹽水中的耐蝕性也明顯高于噴涂層的耐蝕性。從以上來看，學(xué)者們對電子束重熔研究越發(fā)重視和深入，能應(yīng)用的涂層體系也越來越廣泛，對重熔時(shí)電子束速度的控制也有了廣泛的研究，使得經(jīng)過電子重熔后的涂層具有更加優(yōu)異的性能。

火焰重熔是指在氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰對自熔性合金進(jìn)行加熱使其熔化的一種重熔工藝[61]。YANG等[62]對超音速等離子噴涂NiCrBSi-30% Mo涂層進(jìn)行了火焰重熔處理，研究發(fā)現(xiàn)重熔不僅消除了涂層層狀結(jié)構(gòu)，從而有助于提高涂層硬度、彈性模量和耐磨性，同時(shí)還消除了噴涂涂層的橫間裂紋和晶間裂紋，使材料均勻化。相對于YANG等[62]的研究，ZHANG等[63]僅僅改變噴涂涂層，利用火焰重熔對NiCrBSi/h-BN涂層再處理，發(fā)現(xiàn)涂層微觀結(jié)構(gòu)得到了良好的再結(jié)晶，這有利于涂層與基體之間的黏附，NiCrBSi合金涂層的耐磨性也有所提高。DARAM等[64]通過觀察極化實(shí)驗(yàn)后涂層的腐蝕表面(圖12)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)火焰重熔后由于孔隙的減少和涂層間結(jié)合力的增強(qiáng)，重熔涂層的腐蝕性能明顯優(yōu)于噴涂涂層的腐蝕性能。

(a)噴涂層 (b)噴涂層高倍

整體加熱通常是將試樣置于中性、還原性氣氛中，加熱到特定溫度區(qū)間，并充分保溫，隨后按照一定的速度進(jìn)行冷卻的過程[65]。王韶云[66]利用整體加熱重熔技術(shù)對NiCrBSi涂層進(jìn)行重熔，結(jié)果表明：重熔后涂層孔隙率由2.1%下降到0.8%，未熔顆粒消除，涂層表面更光滑，硬度值以及抗疲勞性能也得到明顯改善。GHADAMI等[67]分別通過整體加熱的方式對涂層進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)NiCr涂層/基體界面處的孔隙缺陷含量顯著降低，同時(shí)形成了微量的冶金結(jié)合。與其他重熔技術(shù)相比較，整體加熱重熔雖然能夠有效改善涂層微觀缺陷，但由于其重熔過程中條件苛刻因而其應(yīng)用較少。

5 熱噴涂涂層重熔技術(shù)綜合評價(jià)

綜上所述，重熔技術(shù)在調(diào)控?zé)釃娡客繉淤|(zhì)量和提升涂層綜合服役性能方面有著廣闊的發(fā)展前景。總體來看，激光重熔著重通過消除涂層中微裂紋、未熔顆粒等缺陷明顯改善了涂層的質(zhì)量，感應(yīng)重熔可以顯著降低涂層的孔隙率，增強(qiáng)涂層的力學(xué)性能，鎢極氬弧重熔可以更有效地提高涂層的耐磨耐蝕性，提高涂層綜合性能。電子束重熔、火焰重熔等對涂層的微觀組織、顯微硬度、界面結(jié)合強(qiáng)度也有一定的改善作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)涂層的性質(zhì)、重熔工藝的特點(diǎn)、效率以及工件的要求選擇合適的重熔工藝。激光重熔時(shí)由于激光能量密度高，作用時(shí)間短，具有較高的工作效率，在小、中型工件上也展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，一方面激光重熔對基體及涂層的要求很低，可實(shí)現(xiàn)選區(qū)加工，另一方面激光重熔處理工件時(shí)熱變形小，可處理形狀復(fù)雜的零件[68]，然而在處理大面積涂層時(shí)受激光光斑大小的限制，生產(chǎn)效率降低[69]。感應(yīng)重熔生產(chǎn)效率高，能耗低，加熱時(shí)間短，容易控制加熱溫度，但會受設(shè)備和涂層自身電阻率和相對磁導(dǎo)率的限制[70]。鎢極氬弧重熔過程簡單，熱量集中，成本低，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，生產(chǎn)效率均高于其他重熔技術(shù)，但對部分金屬表面涂層重熔困難。電子束重熔需在真空度很高的條件下進(jìn)行，相對操作復(fù)雜，進(jìn)而影響重熔效率，但電子束重熔面對重熔區(qū)精度要求較高的工件有明顯的優(yōu)勢[71-72]。整體加熱重熔對溫度的控制有著苛刻的要求，且重熔過程中基體的熱影響區(qū)不易控制，重熔效率較低，常用于成批量工件生產(chǎn)?；鹧嬷厝墼O(shè)備易操作、范圍廣，但勞動強(qiáng)度大，操作時(shí)間長，常適用于涂層熔點(diǎn)較低的中、小型工件的小批量生產(chǎn)[73]?？傊?，各種重熔方式有自己的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合，合理利用均能有效提升涂層的綜合性能，延長涂層使用壽命[74]。表1簡要列出了這幾種重熔工藝的特點(diǎn)和適用范圍，方便理解。

表1 重熔分類和特點(diǎn)

6 結(jié)論與展望

通過對國內(nèi)外典型涂層后處理技術(shù)研究工作的總結(jié)，主要得出如下結(jié)論：

(1)熱噴涂涂層通常為典型的層狀結(jié)構(gòu)，并且涂層內(nèi)部伴隨有孔隙、未熔顆粒、微裂紋等原生性結(jié)構(gòu)缺陷，從而降低了涂層的質(zhì)量，縮小了涂層的應(yīng)用范圍和縮短涂層使用年限。激光重熔、感應(yīng)重熔、鎢極氬弧重熔等重熔技術(shù)作為有效降低熱噴涂涂層粗糙度、孔隙率，提高涂層硬度、韌性及耐磨耐蝕等綜合性能的一種重要方法，被業(yè)界廣泛應(yīng)用。

(2)重熔技術(shù)作為一種常見的表面修復(fù)技術(shù)，在制備高質(zhì)量熱噴涂涂層中起著關(guān)鍵性作用，合理利用各種重熔方式的特點(diǎn)及適用范圍可以改善熱噴涂涂層缺陷含量(孔隙、微裂紋、氧化夾雜、未熔顆粒等)，提高涂層力學(xué)性能(顯微硬度、斷裂韌性、彈性模量、界面結(jié)合強(qiáng)度等)，增強(qiáng)涂層綜合服役性能(耐磨性、耐腐蝕性能)。

(3)重熔過程中影響熱噴涂涂層質(zhì)量的因素復(fù)雜，特別是面對各種復(fù)雜涂層體系，重熔工藝的選擇、重熔參數(shù)的確定，以及如何控制重熔過程中伴隨的熱應(yīng)力，解決重熔特殊涂層(陶瓷涂層、玻璃涂層)效果較差等問題至關(guān)重要。故后續(xù)需繼續(xù)加深涂層理論方面的研究，透徹了解涂層缺陷機(jī)理；同時(shí)對不同涂層體系和不同基體材料利用計(jì)算機(jī)等相關(guān)分析軟件研究重熔工藝、重熔參數(shù)等對涂層微觀結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)的影響；要不斷探索研發(fā)新的熱噴涂涂層后處理技術(shù)，如將重熔技術(shù)和其他有關(guān)技術(shù)進(jìn)行耦合，獲得性能更優(yōu)的熱噴涂涂層。