表面修復(fù)技術(shù)——熱噴涂層特質(zhì)探析

王振東,李新德

（1.河南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 商丘 476000；2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000）

熱噴涂技術(shù)是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，它可以在普通材料表面形成具有特殊性能的涂層，獲得各種特殊性能的涂層，從而使制品表面獲得各種特殊性能。此外，由于機(jī)械零件在長(zhǎng)期運(yùn)行中磨損、腐蝕，或因加工超差等原因而造成許多貴重零部件報(bào)廢，也可以通過熱噴涂技術(shù)方便、有效地予以修復(fù)。熱噴涂技術(shù)不僅能使零件具有耐磨、耐蝕、耐氧化、耐高溫、隔熱等不同功能，而且能使它具有復(fù)合性能，即能保護(hù)零件，又能修復(fù)零件。目前，在機(jī)械維修中，主要用于軸類零件（如：傳動(dòng)軸、曲軸等）、發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的零部件（如：活塞頂部、活塞環(huán)、氣缸套、排氣門、閥座、凸輪、齒輪等）、各種液壓元件的零部件（如：液壓泵、液壓閥等）等的表面處理和修復(fù)。熱噴涂層的質(zhì)量好壞是熱噴涂技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文就熱噴涂層的形成過程和熱噴涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，指出了熱噴涂層與鑄造和鍛造的均質(zhì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的區(qū)別，并提出了熱噴涂層的改質(zhì)的方法。

1 熱噴涂層的形成

熱噴涂時(shí)，噴涂材料是呈霧狀從噴嘴噴向工件的。粉末材料加熱后可以直接噴出，絲材須先經(jīng)熱熔化，再由氣流噴射成霧狀，然后從噴嘴噴出。用粉粒材料噴涂時(shí)，粉粒從噴嘴噴出后要通過熱源加熱到熔融或呈塑性狀態(tài)，同時(shí)被加速，以高速噴向工件而形成涂層。

熔融或呈塑性狀態(tài)的圓型顆粒射到工件表面即受阻變形成為扁平狀。最先射到工件表面的顆粒與工件表面的凸凹不平處產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合，隨后飛來的顆粒打在先前到達(dá)工件表面的顆粒上，也同樣變形并與先前到達(dá)的顆?；ハ嘁Ш希纬蓹C(jī)械式的結(jié)合，這種現(xiàn)象稱為“拋錨效應(yīng)”。大量顆粒在工件表面互相擠嵌堆積起來，就形成了噴涂層。

1.1 熱噴涂層形成的過程

熱噴涂層形成的過程包括以下三個(gè)瞬間相連的環(huán)節(jié)：（1）固態(tài)涂材熔融環(huán)節(jié)。通過不同的熱源設(shè)備和加熱手段，使噴涂材料快速成為液狀或熔融狀。

（2）液態(tài)涂材霧化環(huán)節(jié)。利用高速噴射氣流，使液狀或熔融狀的材料霧化細(xì)化為微小顆粒，顆粒大小為數(shù)十微米到數(shù)百微米不等。

（3）固化形成涂層環(huán)節(jié)。將液態(tài)或熔融狀顆粒噴涂到經(jīng)過預(yù)處理的基體材料表面上固化，最終形成涂層。

1.2 熱噴涂過程的顯著特點(diǎn)

熱噴涂過程有如下顯著特點(diǎn)：

（1）過程極其短暫。熱噴涂過程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，熱源確保噴涂材料快速而充分地熔融，高速射流使熔滴高度離散和霧化，這兩步幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。以絲材氣體火焰噴涂為例，材料從噴槍出來到基體表面所需時(shí)間，大約為0.01～0.001 s，有的噴涂時(shí)間更短。

純文學(xué)處境尷尬，意味著純文學(xué)一枝獨(dú)秀的時(shí)代早已終結(jié)，文學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)多聲部合唱。譬如陜西省合陽縣路井鎮(zhèn)農(nóng)民侯永祿僅有初中文化程度，但他堅(jiān)持寫了六十年日記，總計(jì)200余萬字，真實(shí)記錄了自己和村民的生存經(jīng)歷，記錄了抗日戰(zhàn)爭(zhēng)到改革開放等不同時(shí)代背景下的“三農(nóng)”問題。經(jīng)過編輯處理，20余萬字的《農(nóng)民日記》2006年由中國青年出版社出版后，數(shù)次再版。

（2）噴涂射流使熔滴高速飛行。在絲材氣體火焰噴涂時(shí)，熔滴的飛行速度高達(dá)50～80m/s，普通電弧噴槍槍口位置氣流速度達(dá)375m/s左右，高速電弧噴槍在距槍口80mm區(qū)域內(nèi)保證600m/s左右的霧化氣流速度，而爆炸噴涂的射流速度高達(dá) 800～600m/s。

（3）熔滴高速碰撞到基體表面后驟停驟冷。熱噴涂涂層是由高速撞擊并聚集在基體表面上的細(xì)微顆粒組成的。噴涂的熔融顆粒在與基材撞擊時(shí)，被撞扁并在接觸的瞬間被冷卻，其過程只有10-7～10-6s，在此期間，1 cm2面積有數(shù)十到數(shù)百個(gè)顆粒與基材相撞，并形成噴涂層，而后涂層逐步加厚。

2 熱噴涂層的結(jié)構(gòu)

熱噴涂層是大量合金屬顆粒在工件表面互相擠嵌堆積起來的，其顯微結(jié)構(gòu)是大體平行的不均勻的疊層狀組織，疏松多孔，孔隙率高者可達(dá)25%。

母材在噴涂過程中受熱不多，升溫不高，其組織一般不會(huì)發(fā)生變化。

噴涂層與基體之間，以及噴涂層中顆粒之間主要是通過鑲嵌、咬合、填塞這種機(jī)械形式連接，其次是微區(qū)冶金結(jié)合以及化學(xué)鍵結(jié)合。也就是說，噴涂層與零件基材之間的組織連接，主要是在噴涂材料熱融狀態(tài)下的機(jī)械性結(jié)合，這是熱噴涂技術(shù)最基本的特征。

需要說明的是，關(guān)于涂層與基體之間的結(jié)合機(jī)理，還處在研究之中，目前還沒有十分統(tǒng)一的觀點(diǎn)。雖然堅(jiān)持“機(jī)械結(jié)合”的觀點(diǎn)居多，但是“化學(xué)吸附”、“化學(xué)鍵結(jié)合”、“冶金結(jié)合”、“物理吸附”等觀點(diǎn)，也有一定的代表性。

順帶說明，噴焊（熔）接頭的組織，與噴涂層相比有所不同，其為致密的金屬組織。與噴涂不一樣，噴焊時(shí)氧—乙炔火焰加熱速度慢等原因，母材表面與熔融涂層直接接觸，受熱較多并有一薄層熔化，兩種材料相互深解而形成一薄層表面合金，其厚度約為60～100μm，把涂層和母材牢固地結(jié)合在一起，其作用類似釬焊。這種結(jié)合是一種冶金結(jié)合，比噴涂層牢固得多，所獲得的這種涂層就是噴焊層。熔合線附近因溫度接近熔點(diǎn)，會(huì)有過熱組織出現(xiàn)。當(dāng)工藝參數(shù)正常時(shí)，對(duì)性能沒有明顯影響。

3 熱噴涂層的力學(xué)性能

熱噴涂層與鑄造和鍛造的均質(zhì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，有明顯區(qū)別。

3.1 結(jié)合強(qiáng)度

涂層與母材的結(jié)合是否牢固，關(guān)系到這種方法能否實(shí)用。從噴涂層的機(jī)械結(jié)合結(jié)構(gòu)可以看到，不會(huì)有很高的結(jié)合強(qiáng)度，這與噴涂薄片層之間結(jié)合強(qiáng)度低和孔隙多有關(guān)。通常噴涂層的強(qiáng)度與鍛造金屬相比要低得多。例如，鋼絲抗拉強(qiáng)度為1000MPa左右，而同類材質(zhì)的熱噴涂層則在300MPa以下。用一般合金粉噴涂時(shí)，涂層與母材間的抗拉結(jié)合強(qiáng)度只有19.6～29.4MPa，抗剪結(jié)合強(qiáng)度較高，但也只有29.4～39.2MPa。

提高工件表面的粗糙度，可以增強(qiáng)“拋錨效應(yīng)”，從而提高結(jié)合強(qiáng)度，但對(duì)工件的疲勞性能不利。使用鎳鋁復(fù)合粉作底層，可以明顯提高結(jié)合強(qiáng)度。據(jù)測(cè)定，此時(shí)的抗拉結(jié)合強(qiáng)度約為29.4～39.2MPa，抗剪結(jié)合強(qiáng)度可高達(dá)137MPa。這樣的結(jié)合強(qiáng)度，可以滿足許多工件的要求。

噴焊層的情況則完全不一樣，它與母材間的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度一般都有在392MPa左右，能滿足各種條件下的使用要求。因此，噴焊時(shí)多不再考慮結(jié)合強(qiáng)度問題。

3.2 涂層硬度

噴涂層的硬度，取決于合金粉種類和噴涂工藝。涂層的宏觀硬度值不高，一般為150～350 HB，這是由于噴涂層疏松多孔所致。涂層中合金顆粒的硬度則高得多，其值需用顯微硬度計(jì)才能測(cè)出。

噴焊層的硬度取決于合金種類。測(cè)試方法不同，硬度值差別也很大。例如噴焊301合金粉，其噴焊層的宏觀硬度為45～50 HRC；噴焊102鐵合金粉，其宏觀硬度為58～60HRC。這種硬度值，是合金粉目錄上標(biāo)注的硬度，其實(shí)質(zhì)上是噴焊層組織中Ni-Cr奧氏基體的硬度。

而彌散分布的硬質(zhì)相的硬度，則要高得多，必須用顯微硬度計(jì)才能測(cè)出。如合金粉中含有WC，則其顯微硬度值高達(dá)2100～2900 HV，但合金粉目錄上標(biāo)注的硬度值仍未變。選用合金粉時(shí)要了解這個(gè)特點(diǎn)。

3.3 耐磨性能

耐磨性是熱噴涂技術(shù)在機(jī)械裝備維修中所能實(shí)現(xiàn)的性能之一，而且效益顯著。

噴涂層宏觀硬度雖不高，但如上所述，噴涂的薄層由驟冷的顆粒構(gòu)成，其微觀硬度較高，在噴涂合金涂層時(shí)，還會(huì)形成合金過飽和狀態(tài)。薄層有一層氧化膜，也是硬度高的原因之一。由于組成涂層的顆粒本身有很高的硬度，特別是涂層的孔隙可以儲(chǔ)存潤滑油，因而使涂層在正常潤滑的條件下，有較高的耐磨性。

但是，噴涂層在干摩擦的條件下是不耐磨的。在有沖擊或腐蝕的條件下，以及流動(dòng)磨損條件下，卻表現(xiàn)出十分優(yōu)良的耐磨性。

如用鐵基合金粉噴成的試樣，宏觀結(jié)果表明，其宏觀硬度比淬火鋼低，但耐磨性卻為后者的4.27倍。用鎳基粉噴成的試樣，宏觀硬度比淬火鋼高得不多，而耐磨性卻高9倍。其原因是噴焊合金基體上彌散分布了許多硬質(zhì)相，其硬度有的比石英的硬度還要高，在磨料作用于機(jī)械零件時(shí)，這些硬質(zhì)相可以保護(hù)基體，使整個(gè)噴焊合金不致快速磨損，從而顯得耐磨。

此外，噴焊合金中由于含有較多的鎳和鉻，在腐蝕磨損、高溫磨損和沖刷式磨料磨損條件下，都有較好的耐磨性。

3.4 疲勞性能

研究表明：熱噴涂過的多數(shù)機(jī)械零件，其疲勞性能要下降。主要原因是噴前的粗糙化處理，對(duì)機(jī)械零件表面造成了損傷。同時(shí)涂層內(nèi)往往存在的殘余拉應(yīng)力，也會(huì)有一定影響。但疲勞強(qiáng)度降低的幅度不大，一般情況下無明顯影響。

4 熱噴涂層的改質(zhì)

如上所述，為保證噴涂層的性質(zhì)和質(zhì)量，應(yīng)該控制涂層的孔隙率。通常，噴涂過程中噴涂顆粒溫度低、噴涂速度慢時(shí)，往往使涂層的孔隙增大。

為了增加結(jié)合力，減少孔隙率，縮小噴涂層和噴涂材料的差別，可使用各種方法對(duì)涂層進(jìn)行改質(zhì)，諸如減壓熱噴涂法，用高頻把涂層加熱的熔融法，以及把熱噴涂與其他表面處理結(jié)合的方法。

用激光束或電子束照射熱噴涂層，對(duì)涂層的改質(zhì)很有效。經(jīng)過照射的涂層，可以完全消除孔隙。但若工件尺寸較大、形狀不規(guī)則時(shí)，用這種方法處理，會(huì)使涂層有產(chǎn)生開裂的危險(xiǎn)。

如何控制孔隙率，是熱噴涂技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。各種改質(zhì)方法都有長(zhǎng)處和短處，有許多問題還有待解決。

5 結(jié)束語

提高涂層質(zhì)量不是單方面的問題，它本身就不能與工藝、材料、裝備等分開。材料的成份是千變?nèi)f化的，無論金屬及其合金，陶瓷和塑料，材料的發(fā)展內(nèi)容都非常豐富，新材料在不斷出現(xiàn)，特別是復(fù)合材料的發(fā)展尤為迅速。進(jìn)一步提高結(jié)合強(qiáng)度和其它性能指標(biāo)仍然是熱噴涂工作者今后需進(jìn)一步研究的課題之一。