超音速電弧噴涂制備鋁青銅涂層性能研究

于久灝，張 穎，王佳杰

（1.黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱電機(jī)廠，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷延伸，對(duì)涂層性能的要求也越來(lái)越高。電弧噴涂技術(shù)作為熱噴涂技術(shù)的一個(gè)分支，由于存在涂層結(jié)合強(qiáng)度較低與孔隙率較高的缺點(diǎn)，難以適用于高性能的涂層要求。超音速電弧噴涂是電弧噴涂技術(shù)新的發(fā)展方向，在制備防腐蝕涂層、耐磨損涂層、抗氧化涂層、裝飾性涂層等方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性。

鋁青銅是一種常用的減摩材料，是大型軸承套圈的主要材料，傳統(tǒng)方法采用焊接進(jìn)行聯(lián)接，由于加熱溫度高，具有基體變形大、原材料損耗大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，采用超音速電弧噴涂技術(shù)制備鋁青銅涂層具有重大的實(shí)用意義。

1 超音速火焰噴涂工藝確定

本試驗(yàn)所使用的涂層材料為QAl9－2鋁青銅合金，其抗海水腐蝕性能及耐磨性都較好，不含稀貴元素，成本比錫青銅低，可用作船用零件、化工機(jī)械中的高壓閥門，也可用作承受中等載荷的耐磨件。試驗(yàn)基體材料為Q235鋼，試板尺寸為120mm×70mm×10mm，棒材φ15mm×65mm。QAl9－2合金絲材為φ3.0mm的實(shí)芯絲材。

通過(guò)正交試驗(yàn)，并評(píng)價(jià)涂層的結(jié)合強(qiáng)度，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)為：噴涂電壓36V，噴涂電流強(qiáng)度210A，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴槍至工件距離100mm。

2 超音速火焰噴涂涂層性能試驗(yàn)

2.1 涂層硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用KVS－100型顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。先將樣品鑲樣，然后表面拋光，腐蝕后，在0.98N載荷下，加載時(shí)間為10s，測(cè)量涂層表面顯微硬度5個(gè)數(shù)據(jù)，截面顯微硬度5個(gè)數(shù)據(jù)。

2.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

采用的粘結(jié)劑對(duì)偶試樣拉伸定量試驗(yàn)法測(cè)定涂層結(jié)合強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 噴涂層結(jié)合強(qiáng)度的拉伸試樣試驗(yàn)

對(duì)圓柱體形狀A(yù)（材料為Q235鋼）的端面進(jìn)行噴砂處理，涂層的厚度約為2mm。同時(shí)在同等材料和尺寸的圓柱體形狀B的端面進(jìn)行噴砂處理。在試樣A的涂層面和B的粗化面之間涂一層薄而均勻的粘合劑，令兩試樣軸線重合，并加以適當(dāng)壓力使其充分粘合，不要使氣泡殘留在粘合劑中，清除溢出的粘合劑，以免影響檢測(cè)精度。待固化后，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)合強(qiáng)度

式中：σb為噴涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度（MPa），F(xiàn)為噴涂層被拉斷時(shí)的外加載荷（N），D為圓柱體A或者B的直徑（mm）。

2.3 涂層孔隙率測(cè)定

孔隙率是表征涂層密實(shí)程度的度量。電弧噴涂涂層中存在有孔隙和氧化物夾雜，其孔隙率是涂層的重要性能指標(biāo)。

試驗(yàn)原理：將含有試液的膏狀物均勻涂覆在經(jīng)過(guò)清潔和干燥處理的試樣表面。膏狀物中的試液滲入涂層孔隙，與基體金屬作用，生成具有特征顏色的斑點(diǎn)，對(duì)膏體上有色斑點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可得到涂層孔隙率。

試驗(yàn)步驟：將處理過(guò)的試樣表面均勻涂覆制備好的膏劑，使用量為0.5～1g／dm2，經(jīng)過(guò)5～10min后，直接觀察膏層上的有色斑點(diǎn)，按每平方厘米計(jì)數(shù)斑點(diǎn)數(shù)量，確定孔隙率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 涂層硬度試驗(yàn)結(jié)果

涂層硬度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，根據(jù)表1所測(cè)的顯微硬度值分別繪制成如圖2、圖3所示柱狀圖和顯微硬度曲線。

表1 超音速電弧噴涂涂層的顯微硬度值

測(cè)試的結(jié)果可以看出：各個(gè)涂層的顯微硬度分布比較均勻。涂層的顯微硬度與涂層材料、涂層的顯微組織、涂層的相結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。由于涂層內(nèi)含有氣孔和氧化物夾渣，涂層的組織結(jié)構(gòu)通常具有非均一性，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定起伏。

由測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果也可以看出，超音速電弧噴涂的噴涂層的硬度較高，這是因?yàn)槌羲匐娀娡康膰娡克俣雀?，超音速霧化的效果更好，組織多元化傾向使得涂層更加致密，涂層的硬化程度得以提高。

3.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)檢測(cè)的是涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，它是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結(jié)合面上剝落下來(lái)所需要的力，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)合強(qiáng)度是涂層結(jié)合性能非常重要的一個(gè)指標(biāo)。如果軸承套圈內(nèi)壁的涂層結(jié)合強(qiáng)度不夠，輕則會(huì)引起涂層壽命降低，產(chǎn)生早期失效，重則造成涂層局部起皮、剝落無(wú)法使用，起不到對(duì)軸承套圈的保護(hù)作用。由表2可知，超音速電弧噴涂涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為40.1MPa，這也是超音速電弧噴涂粒子速度顯著提高后的直接效果。

3.3 涂層孔隙率測(cè)定結(jié)果

測(cè)定結(jié)果如表3所示，以平均值作為涂層的孔隙率，測(cè)得QAl9－2鋁青銅涂層的孔隙率約為2%。

表2 涂層結(jié)合強(qiáng)度

表3 超音速電弧噴涂涂層的孔隙率

孔隙形成的機(jī)制有3種：變形粒子間的不完全重疊、氣孔的形成和凝固收縮。

超音速電弧噴涂的粒子速度很高，粒子沉積的時(shí)候撞擊力大，變形充分。大大減少了粒子之間的不完全重疊，促進(jìn)了粒子之間的良好結(jié)合，有利于降低涂層的孔隙率。

另外，超音速電弧噴涂涂層的主要組成相與噴涂原材料的組成相發(fā)生很大的改變。在噴涂過(guò)程中會(huì)有少量的霧化粒子在空氣中飛行時(shí)被氧化，生成少量的氧化物在涂層中形成夾雜物的情況。這種夾雜物一般會(huì)影響涂層內(nèi)部顆粒之間的相互嵌合，降低涂層的聚合強(qiáng)度。超音速電弧噴涂可以有效抑制粒子在飛行過(guò)程中被氧化，而減少夾雜物的形成。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)超音速電弧噴涂鋁青銅涂層性能試驗(yàn)，涂層表面硬度平均值為170HV，熔合線到表面平均硬度為235HV；涂層結(jié)合強(qiáng)度平均值為40.1MPa；涂層孔隙率平均值為2.0%。

超音速電弧噴涂鋁青銅涂層結(jié)合強(qiáng)度和表面硬度都比較高，涂層質(zhì)量較好，比較致密，氣孔少，噴涂絲材粒子熔化充分，能滿足軸承套圈表面耐磨性要求。

［1］孟立新，張 晞.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的電弧噴涂修復(fù)［J］.工程機(jī)械，2006（6）：62－64.

［2］張忠禮，李德元，張楠楠，等.電弧噴涂鋁青銅復(fù)合涂層的抗高溫氧化作用與機(jī)理［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27（4）：85－88.

［3］張忠禮，李德元.電弧噴涂鋁青銅涂層的力學(xué)性能［J］.表面技術(shù)，2006（4）：10－12.

［4］于久灝，尹志娟，王國(guó)星.超音速電弧噴涂制備鋁青銅涂層工藝研究［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（3）：45－47.

［5］董允，張廷森，林曉娉.現(xiàn)代表面工程技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：78－110.

［6］錢苗根，姚壽山，張少宗.現(xiàn)代表面技術(shù)［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004：128－137.

［7］徐濱士，劉世參.表面工程新技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：45－83.

［8］杜小紅.電弧噴涂技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.表面技術(shù)，2000（5）：28－30.

［9］潘應(yīng)君，張恒，黃寧，等.熱噴涂Zn－15%Al合金的耐蝕性研究［J］.腐蝕與防護(hù)，2002，23（12）：53－56.

［10］易春龍.電弧噴涂技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：48－90.

［11］張楠楠，李德元，張忠禮.電弧噴涂鋁青銅涂層高溫氧化力學(xué)研究［J］.焊接技術(shù)，2005，34（6）：24－26.

［12］聶銘，林介東，劉紅文，等.超音速活性電弧噴涂技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用［J］.冶金叢刊，2004（5）：20－22.

［13］查柏林，王漢功，楊暉，等.超音速電弧噴涂技術(shù)［J］.機(jī)械工人，2002（6）：16－18.