工藝參數(shù)對電弧噴涂NiAl涂層結(jié)合強度的影響

王博，王璐，馮貞偉，程玉賢，張春剛

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

電弧噴涂具有高效、低成本、涂層質(zhì)量可靠、設(shè)備易操作和維護等優(yōu)點。隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程，應(yīng)用也由過去的航空、航天等領(lǐng)域逐步發(fā)展到機械化工等行業(yè)，尤其在零件及鋼結(jié)構(gòu)的尺寸修復(fù)、防腐蝕等方面有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。NiAl合金涂層是修復(fù)機械零件最常用的經(jīng)濟型涂層，而結(jié)合強度是這類涂層的重要表征，噴涂工藝參數(shù)對涂層的結(jié)合強度性能影響很大[4-8]，在線檢測設(shè)備已在發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)代化噴涂生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，在調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，重復(fù)噴涂質(zhì)量等方面有著突出的作用。本文采用雙絲電弧噴涂技術(shù)，利用在線檢測設(shè)備尋求針對NiAl合金涂層結(jié)合強度的最佳電弧噴涂工藝參數(shù)。

1 試驗材料及方法

1.1 雙絲電弧噴涂工藝原理

電弧噴涂是以電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，并高速噴射到工件表面形成涂層的一種工藝。本試驗采用普萊克斯公司生產(chǎn)的PRAXAIR-9935型電弧噴槍，噴涂時，兩根絲狀噴涂材料經(jīng)送絲機構(gòu)均勻、連續(xù)地送進(jìn)噴槍的兩個導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別連接噴涂電源的正、負(fù)極，并保證兩根絲材尖端未接觸前的絕緣性。當(dāng)兩根絲材端部接觸時，由于短路產(chǎn)生電弧，高壓空氣將電弧熔化的金屬霧化成微熔滴，并將微熔滴加速噴射到工件表面，經(jīng)冷卻、沉積過程形成涂層。

1.2 試驗原料

噴涂絲材為NiAl合金絲材，牌號為Metco8400，直徑Φ1.62mm主要成分為Ni：95%、Al：5%。

1.3 噴涂方法

試驗基材選用GH4169，表面經(jīng)清洗后進(jìn)行噴砂預(yù)處理。采用正交設(shè)計原理選擇NiAl合金涂層的噴涂工藝參數(shù)，包括噴涂電壓、噴涂電流、霧化空氣壓力和噴涂距離，噴涂厚度為1mm。對每個工藝參數(shù)分別選取3個水平，根據(jù)L9(34)正交表，建立正交設(shè)計方案，如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Table of the factors and levels for orthogonal test

1.4 測試方法

按航標(biāo)HB5476-91“熱噴涂結(jié)合強度試驗方法”，測定涂層的結(jié)合強度。在經(jīng)過預(yù)處理的圓柱端面上噴涂涂層，同經(jīng)過噴砂處理的對偶件用FM-1000膠進(jìn)行對心粘接，190℃保溫2h完全固化后進(jìn)行拉伸試驗，拉伸試驗在AG-250KNE型拉力試驗機上進(jìn)行；利用Accuraspray-g3在線檢測系統(tǒng)，測量焰流強度、粒子速度和粒子溫度；利用LEICA DMI5000M金相顯微鏡觀察涂層的金相組織結(jié)構(gòu)；利用帶有EDS的ZEISS SUPER-55型掃描電鏡分析涂層與基體金屬的界面結(jié)合形貌及涂層灰色相的化學(xué)成分和涂層拉伸斷口的形貌。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 涂層結(jié)合強度

表2為4因素3水平正交試驗結(jié)果，研究結(jié)果表明，工藝參數(shù)對電弧噴涂涂層結(jié)合強度影響的主次順序為：噴涂距離>霧化空氣壓力>噴涂電流>噴涂電壓，通過優(yōu)化試驗，獲得了最佳的工藝參數(shù)組合為U1+ I2+ P2+ L2，即電壓為27V，噴涂電流為150A，霧化空氣壓力為0.6MPa，噴涂距離為150mm，該組優(yōu)化參數(shù)恰好為2號試樣的噴涂工藝參數(shù)，測試結(jié)果也表明2號試樣的涂層結(jié)合強度值也優(yōu)于其他試樣。

表2 四因素三水平正交試驗結(jié)果Table 2 L9(34) orthogonal test results

圖1 2號試樣參數(shù)的焰流在線檢測數(shù)據(jù)Fig.1 The flame flow date through online detection of Sample 2's parameters

圖2 焰流與噴涂距離關(guān)系曲線（a）焰流強度（b）粒子速度（c）粒子溫度Fig.2 Effect of stand off distance on flame flow(a) Flame flow strength；(b) Particle velocity；(c) Particle temperature

由表2可以發(fā)現(xiàn)，各工藝參數(shù)均對涂層的結(jié)合強度有影響。圖1是2號試樣參數(shù)的焰流在線檢測數(shù)據(jù)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在最佳的工藝參數(shù)組合下，焰流強度為173a.u.，粒子速度為119m/s，粒子溫度在2669℃左右。

圖2為焰流與噴涂距離關(guān)系曲線，從圖可以觀察到，隨著噴涂距離的增加，焰流強度逐漸降低，離起弧位置越近，能量越大；焰流速度則先升高后降低，粒子在加速度的作用下，由零增加到最大，再逐漸降低，其中在噴涂距離為150mm時，接近極大值；而粒子溫度呈下降的趨勢，當(dāng)噴涂距離超過150mm，粒子溫度顯著下降。

噴涂距離過大或過小都不利于涂層性能，當(dāng)噴涂距離較大時，必然會削弱粒子的飛行速度，從而降低粒子的動能，同時粒子到達(dá)基體時溫度較低，熔融粒子表面張力大，粒子撞擊基體后與基體的浸潤性不好，導(dǎo)致流動性下降，所形成的涂層結(jié)構(gòu)就會疏松。此外，熔滴在空氣中的行走路徑越長，與空氣接觸時間越長，粒子的氧化程度越嚴(yán)重，隨之孔隙也越多，涂層致密度下降。而當(dāng)噴涂距離較小時，由于噴涂距離較近的緣故，粒子的速度還沒有得到充分加速，電弧高溫也會加大對涂層的灼烤力度，導(dǎo)致涂層過熱，涂層內(nèi)應(yīng)力增加，加之較高壓力的空氣對過熱粒子的氧化，也會影響涂層的結(jié)合質(zhì)量，因此選擇150mm的噴涂距離較為合適。

圖3 焰流與霧化空氣壓力關(guān)系曲線（a）焰流強度（b）粒子速度（c）粒子溫度Fig.3 Effect of atomizing air pressure on flame flow (a) Flame flow strength；(b) Particle velocity；(c) Particle temperature

圖3為焰流與霧化空氣壓力關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著霧化空氣壓力的增大，粒子速度逐漸升高，有利于涂層的結(jié)合強度；但焰流強度和粒子溫度均隨著霧化空氣壓力的增加而降低。過高或過低的霧化空氣壓力都不利于涂層的結(jié)合強度，這是由于隨著霧化空氣壓力的增加，粒子速度增加，熔融金屬顆粒的撞擊力增大，撞擊基體表面后變形增大，涂層的結(jié)合強度提高；但霧化空氣壓力過高，則熔融金屬粒子吸收的熱量減小，受熱不充分，使熔滴更易氧化和冷卻，撞擊基體表面后變形不充分，涂層結(jié)合強度降低，正交試驗表明霧化空氣壓力選擇0.6MPa時，結(jié)合強度較好。

圖4 焰流與電流關(guān)系曲線（a）焰流強度（b）粒子速度（c）粒子溫度Fig.4 Effect of current on flame flow (a) Flame flow strength；(b) Particle velocity；(c) Particle temperature

圖4為焰流與電流關(guān)系曲線。由圖可知，隨著電流的增加，焰流強度逐漸加大，粒子的速度逐漸下降，而粒子溫度明顯升高。電流與送絲速度相對應(yīng)，隨噴涂電流的增大，送絲速度加快，使熔滴具有較大的初始速度，電流越大送絲越快，單位時間內(nèi)絲材熔化量越多，總體熱焓越大，粒子變形越大，有利于鋪展，涂層的致密性提高，粒子之間的內(nèi)聚力增強，涂層結(jié)合強度增高；當(dāng)噴涂電流較低時,噴涂粒子冷卻快，易出現(xiàn)熔化不良、粒子粗大等現(xiàn)象；但送絲速度太快，熔化的絲材增多會降低焰流速度，熔滴會變大，飛到基體表面易產(chǎn)生飛濺，進(jìn)而影響涂層的致密性，試驗證明電流選擇150A時，涂層的結(jié)合強度最好。

圖5 焰流與電壓關(guān)系曲線（a）焰流強度（b）粒子速度（c）粒子溫度Fig.5 Effect of voltage on flame flow (a) Flame flow strength；(b) Particle velocity；(c) Particle temperature

從圖5中同樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著電壓的升高，焰流強度呈線性增加，與焰流強度相對應(yīng)，粒子溫度也逐漸升高，而粒子速度變化不大。當(dāng)升高噴涂電壓時，電弧功率增加，熔滴吸收的熱量增多，熔滴溫度升高，噴涂粒子的熱焓值增大，撞擊到金屬基體表面較易發(fā)生變形導(dǎo)致扁平化程度較高，結(jié)合效果較好，但電弧電壓過高會造成噴涂金屬顆粒的嚴(yán)重氧化，使涂層的結(jié)合強度降低。

2.2 涂層顯微組織

圖6為2號試樣涂層截面的金相照片。由圖6(a)可知霧化后的粒子產(chǎn)生了很大的變形，涂層粒子扁平化程度較高，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征，多數(shù)粒子變形充分，極少數(shù)小粒子變形不充分；圖6(b)為2號試樣涂層界面形貌，可以看出被撞成扁平狀并隨基材表面起伏的電弧霧化粒子通過與凸凹不平的基體表面互相嵌合，形成了機械鍵，所以涂層與基體的結(jié)合是以機械結(jié)合為主。噴涂過程中,熔化顆粒以一定的速度撞擊到基體，在這種熱沖擊作用下涂層與基體結(jié)合不斷加強，涂層與基體結(jié)合緊密，波浪形層狀組織較明顯，其中條狀金屬帶向上下方向彎曲延伸，相互之間銜接較好，結(jié)合處幾乎無孔隙存在。觀察分析結(jié)果表明,電弧噴涂NiAl合金涂層組織致密，有少量孔隙存在。

圖6 涂層截面的金相照片F(xiàn)ig.6 Metallograph of the coating in section (a) the inside；(b) the interface

圖7 涂層的能譜測量點位置(a)和能譜分析圖(b)Fig.7 EDS measure position(a) and spectra(b) of the coating

圖7為2號試樣涂層的EDS能譜分析，圖7(a)中黑色部分為孔隙，白色相為涂層金屬，為了判斷灰色相成分，對圖中的譜圖2點位置進(jìn)行能譜掃描。圖7(b)為EDS能譜分析圖，圖中圖譜2點位置除噴晶殘留的Au外，所含主要元素為Ni、Al、O，由此可知灰色相應(yīng)為鎳和鋁的氧化物。

2.3 涂層斷口形貌

圖8 涂層斷口的宏觀形貌(SEM)Fig.8 Macro fracture morphology of the coating

圖8為2號試樣涂層斷口SEM組織形貌，從圖中明顯看出，斷口上有凹凸不平的狀態(tài)，并且涂層中有少量孔隙存在，且孔隙大多出現(xiàn)在粒子交界處。在涂層斷裂中，一般孔隙作為裂紋源開始啟裂，從斷裂的跡象看，斷裂也主要發(fā)生在粒子交界處。這說明粒子交界處是涂層結(jié)合薄弱處。另外從圖中發(fā)現(xiàn)，由于涂層是由形狀不一的金屬顆粒沉積而成，晶界結(jié)合比較脆弱，這樣晶粒在正應(yīng)力和剪切力的共同作用下，很容易沿晶界剝離，使涂層斷裂，形成沿晶斷裂的特征，這也是涂層成脆性斷裂的主要原因之一。

2.4 涂層厚度對結(jié)合強度的影響

圖9 涂層結(jié)合強度與厚度的關(guān)系曲線Fig.9 Effect of coating thickness on bond strength of the coatings

圖9為涂層結(jié)合強度與厚度的關(guān)系曲線。由圖9可知，電弧噴涂涂層的結(jié)合強度與涂層厚度均成線性對應(yīng)關(guān)系，即涂層厚度越大，涂層的結(jié)合強度就越低。涂層厚度為0.5mm時，結(jié)合強度可以達(dá)到39.8MPa，而當(dāng)涂層厚度增加到3mm時，結(jié)合強度只有12.8MPa。產(chǎn)生上述變化的原因除了涂層厚度的增加使涂層內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的數(shù)量增加，導(dǎo)致涂層的內(nèi)聚強度減少外，更主要的原因是受涂層殘余應(yīng)力的影響，在噴涂過程中，絲材經(jīng)過快速加熱熔化和冷卻，涂層內(nèi)必然會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，誘發(fā)產(chǎn)生的裂紋缺陷會減少涂層與基體之間的粘結(jié)力。殘余應(yīng)力的大小主要取決于涂層材料、熱噴涂工藝和涂層厚度等因素。涂層厚度是影響涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的重要因素，隨著涂層厚度的增大，積累的應(yīng)力逐漸增大，因此涂層的結(jié)合強度降低。

3 結(jié)論

（1）影響NiAl合金涂層結(jié)合強度的電弧噴涂工藝參數(shù)的主次順序為噴涂距離>霧化空氣壓力>噴涂電流>噴涂電壓，在該試驗條件下，使涂層具有良好結(jié)合強度的噴涂工藝參數(shù)最優(yōu)水平組合為U1+I2+P2+L2，即電壓27V，噴涂電流150A，噴涂壓力0.6MPa，噴涂距離150mm。

（2）電弧噴涂NiAl合金涂層均勻致密，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征，涂層和基體結(jié)合緊密，界面上沒有孔隙和夾雜。電弧噴涂NiAl合金涂層的主要化學(xué)元素為Ni、Al、O, 其灰色相為氧化物。

（3）涂層中孔隙的存在和晶界結(jié)合力弱促進(jìn)了涂層的斷裂。

（4）涂層結(jié)合強度隨著涂層厚度的增加而線性降低，涂層厚度為0.5mm時，結(jié)合強度可以達(dá)到39.8MPa，而當(dāng)涂層厚度增加到3mm時，結(jié)合強度只有12.8MPa。