電弧噴涂Al-Cu偽合金涂層的制備和性能研究

韓子洋，婁建新

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

電弧噴涂以生產(chǎn)效率高、結(jié)合強度高、能源利用率高、能耗少、設(shè)備投資低、運行時維護簡單、操作安全性高、噴涂材料來源廣泛而得到普遍應(yīng)用［1］。鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一［2-6］。純銅具有良好的導(dǎo)熱性能，它被廣泛地應(yīng)用。但是純銅的高溫氧化速度較快，銅制工件高溫下的使用壽命短，增加了生產(chǎn)成本［7-8］。純銅滲鋁是一種能較大幅度延長工件在高溫、腐蝕介質(zhì)環(huán)境中使用壽命的有效方法［9-10］。本文開發(fā)出電弧噴涂制備鋁銅復(fù)合涂層的工藝方法，即用鋁絲和銅絲分別作為電弧噴涂兩極進行噴涂，通過加熱，形成鋁銅金屬間化合物。本文研究了在純氬氣氣氛電弧噴涂涂層的結(jié)合效果、熱處理對涂層的影響以及不同加熱溫度對涂層顯微硬度和結(jié)合強度的影響，初步掌握了不同加熱溫度對形成涂層組織及涂層顯微硬度和結(jié)合強度的影響規(guī)律。

表1 電弧噴涂設(shè)備工藝參數(shù)

1 試樣制備

電弧噴涂設(shè)備為XDP-5型，主要工藝參數(shù)見表1。先對試樣進行噴砂，噴砂采用射吸式噴砂方式，磨料選用棕剛玉。然后在自制的純氬氣氣氛噴涂艙中，用直徑為2 mm的一根純銅絲和一根純鋁絲進行電弧噴涂，涂層厚度為3～5 mm。在涂層外面涂刷硅酸鈉水玻璃封孔涂料，再在涂層表面做噴射鋼丸處理，然后再將試樣分別進行隨爐加熱到300℃ ～900℃并保溫1h。

2 結(jié)果與討論

2.1 電弧噴涂Al-Cu復(fù)合涂層

本實驗中，電弧噴涂是用一根銅絲和一根鋁絲在純氬氣氣氛中同時進行的，根據(jù)噴涂時金屬絲放置位置不同的情況，將銅絲所在一側(cè)的試件標成1號，鋁絲所在一側(cè)的試件標成2號，距離噴嘴較遠的涂層試件標成3號。

圖1，2，3為3種不同位置的電弧噴涂Al和Cu涂層的SEM組織形貌圖。圖1為1號試件涂層放大1 000倍的組織形貌圖，其中上部分為涂層，下部分為載體。圖2為2號試件涂層放大1 000倍的組織形貌圖。圖3為3號試件涂層放大1 000倍的組織形貌圖，其中左半部分為涂層，右半部分為載體。

圖1 銅絲所在一側(cè)的涂層

從圖中可以看出:鋁銅復(fù)合涂層結(jié)合致密，孔隙、夾雜等缺陷很少。證明噴涂效果很好，氬氣對金屬的保護效果也很好。另外，1號試件涂層與載體結(jié)合處緊密，這是因為在噴嘴中心處鋁和銅的熔化粒子的飛行速度快并且飛行距離短，熱量損失少，以一定速度撞擊到基體上形成扁平狀涂層。而3號試件結(jié)合處有明顯的裂縫。這是因為熔化粒子撞擊到基體前的速度明顯降低并且熱量被大量損失，所以結(jié)合的沒有1號試件緊密。通過對3個圖的比較發(fā)現(xiàn)，1號、2號試件涂層的噴涂效果比3號試件涂層的噴涂效果好。

圖中深顏色部位的成分為銅，淺顏色部位的成分為鋁，個別發(fā)亮的顆粒狀物質(zhì)為沒有熔化完全的鋁顆粒。可以看出1號試件的未完全熔化的鋁顆粒較2號試件多，這是因為制備1號試件時鋁絲離噴嘴相對較遠，熔化的鋁顆粒熱量損失較多的緣故造成的。在2號試件中沒有發(fā)現(xiàn)未熔化的鋁，鋁粒子得到充分熔化并與銅緊密結(jié)合成層狀結(jié)構(gòu)。

2.2 熱處理后的Al-Cu復(fù)合涂層

圖4，5，6，7分別是電弧噴涂后經(jīng)過300℃，400℃，500℃，600℃保溫1 h熱處理后的涂層顯微組織。從圖中可以看出原本致密的涂層出現(xiàn)了很多孔隙，部分鋁已經(jīng)被氧化。

圖3 離噴嘴中心較遠的涂層

圖4 經(jīng)過300℃熱處理后的涂層

圖5 經(jīng)過400℃熱處理后的涂層

圖6 經(jīng)過500℃熱處理后的涂層

圖7 經(jīng)過600℃熱處理后的涂層

圖8 涂層成分分析

圖9 深顏色相的成分能譜分析

利用能譜分析對熱處理溫度為500℃的涂層不同部位進行成分分析，由圖9的能譜分析可知，1點處Al的質(zhì)量分數(shù)為21.52%，Cu的質(zhì)量分數(shù)為78.48%。由圖10的能譜分析可知2點處Al的質(zhì)量分數(shù)為14.23%，Cu的質(zhì)量分數(shù)為82.04%，O的質(zhì)量分數(shù)為3.73%。

結(jié)果表明Al和Cu形成了有效結(jié)合的涂層，但是兩者分布并不均勻。1點處和2點處Cu的含量都大于Al的含量，其中1點處完全不含O成分，而2點處被少量O所氧化。

2.3 涂層硬度測量及結(jié)果分析

材料的硬度是材料抵抗變形的能力，硬度測量所反映的是材料表面一定體積內(nèi)的變形抗力。對于熱噴涂涂層材料來說，由于涂層內(nèi)存在一些氧化物和孔隙，它們對變形的影響比較復(fù)雜。一方面，氧化物作為硬質(zhì)相對變形有很大的阻礙作用;另一方面，涂層中的孔隙又有利于變形的發(fā)展。綜合作用的結(jié)果通常是涂層的宏觀硬度略低于實體材料。盡管涂層的宏觀硬度低于實體材料，但涂層內(nèi)存在的氧化物硬質(zhì)相使得涂層有更好的耐磨損性能。

采用HSV-1000數(shù)顯顯微硬度計對涂層進行硬度測試，顯微硬度測試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，對于鋁銅涂層，其顯微硬度隨溫度升高先增大后減少，在500℃時，顯微硬度達到最大值。

2.4 涂層抗拉結(jié)合強度

熱噴涂涂層特有的層狀組織結(jié)構(gòu)使得涂層的一些性能具有各向異性。例如，試件基體表面的垂直方向上涂層自身的結(jié)合強度明顯低于其平行方向的結(jié)合強度。在測試涂層與基體的抗拉結(jié)合強度時，對于基體表面噴砂預(yù)處理的試件，拉伸的斷口幾乎都發(fā)生在涂層的層間。這種現(xiàn)象可以說明，涂層與碳鋼基體的結(jié)合強度要高于涂層的層間結(jié)合強度。對于熱噴涂涂層來說，涂層內(nèi)的氧化物和孔隙都是結(jié)合的薄弱之處，而這些氧化物以及孔隙往往以層狀形式平行于基體表面分布，所以涂層在垂直于基體表面的方向上可承受的拉力較低。對于表面磨光預(yù)處理的試件，可以忽略不計涂層與基體間的機械結(jié)合作用，但涂層的抗拉結(jié)合強度仍可達到12.73 MPa。觀察拉伸斷口發(fā)現(xiàn)，在碳鋼基體表面牢固地粘附著噴涂粒子，發(fā)生在涂層與基體之間的斷裂比例不足1/2。鋁銅涂層試件的拉伸斷口應(yīng)屬典型的層狀斷裂。

圖10 淺顏色相的成分能譜分析

表2 鋁銅涂層的顯微硬度

3 結(jié)論

1)應(yīng)用電弧噴涂方法可以方便地獲得鋁-銅偽合金涂層，該涂層有較好的顯微硬度和結(jié)合強度。

2)隨著熱處理的溫度升高，涂層的顯微硬度先升高后降低，當(dāng)溫度在500℃時，顯微硬度達到最大值304HV0.2。

3)涂層的抗拉結(jié)合強度達到12.73 MPa。

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