純Ti表面電火花沉積CoCr合金涂層的界面行為研究

李亞龍 涂秋芬

摘 要：以CoCr合金為電極，采用電火花沉積技術(shù)在純Ti表面沉積CoCr合金涂層，研究涂層的硬度、表面狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和相組成。結(jié)果表明：合金涂層硬度為430 HV，約為基底的4倍；涂層厚度為40～60 μm；涂層與基體間存在元素相互擴(kuò)散，發(fā)生反應(yīng)形成了冶金結(jié)合層，主要成分為Cr2Ti和Cr1.97Ti1.07。

關(guān)鍵詞：電火花沉積；CoCr涂層；界面行為

中圖分類號(hào)：TG401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）17-0174-03

1 電火花沉積

電火花沉積是一種脈沖微弧焊工藝，原理是高電流的短脈沖把電極材料沉積到基體金屬表面，電極材料在等離子弧的作用下熔化并在基體表面形成高硬度、耐磨性好的涂層，使基底材料表面的物化性能和力學(xué)性能得到改善。與傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)如等離子滲氮、離子注人、等離子噴涂技術(shù)等相比，它具有結(jié)合強(qiáng)度高、基底變形小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，目前廣泛應(yīng)用于被磨損工件表面的修復(fù)以及在工件表面制備高硬度、高強(qiáng)度、耐磨耐腐蝕涂層[4，5]。電火花沉積技術(shù)已經(jīng)成為材料表面改性工程領(lǐng)域重要的手段。本文以純Ti為基底沉積CoCr合金涂層，主要研究合金涂層的界面行為和表面特征。

2 樣品制備和工藝參數(shù)

采用DZ-4000III型堆焊機(jī)，脈沖頻率為400～1 600 Hz，直徑為3 mm的CoCr合金電極棒，基底是邊長為10 mm的純Ti立方塊。樣品制備：先用200#，400#，600#，1000#的砂紙打磨基底；然后拋光，使表面呈鏡面狀；再用丙酮清洗樣品表面的油污，用吹風(fēng)機(jī)吹干；把處理好的樣品固定，在1 400 r/min的轉(zhuǎn)速下沉積涂層。涂層的電火花沉積工藝，見表1。

涂層制備后，采用HV-1000 型顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度，載荷為50 g，加載時(shí)間為10 s；采用JSM-560LV掃描電鏡和三維表面輪廓測(cè)定儀檢測(cè)涂層斷面、表面及三維形貌；使用EDS能譜儀和X射線衍射儀對(duì)涂層的元素分布和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 CoCr涂層的顯微硬度

CoCr合金涂層表面到基底的顯微硬度分布圖，如圖1所示。結(jié)果表明，涂層表面的硬度達(dá)到430 HV，約為基底純Ti顯微硬度110 HV的4倍，這是因?yàn)橥繉又泻写罅康腃oCr合金相，存在很高的位錯(cuò)密度；過渡層具有適中的硬度240 HV，這與涂層在沉積過程中過渡區(qū)的相組織細(xì)化有關(guān)，也證明涂層表面改性成功。

3.2 CoCr涂層的斷面形貌和表面形貌分析

純Ti 基底表面CoCr涂層的斷面形貌圖，如圖2所示。由圖可看出，涂層較為連續(xù)的較嵌入基體，且之間有一條不均勻的熔合線，熔合線低于基底表面，說明涂層和基底材料有一定程度的熔滲，由于短時(shí)間內(nèi)的超高溫度，等離子弧將熔化的電極金屬熔敷過渡到基底，與基底結(jié)合形成合金涂層。涂層上孔洞的存在可能是在沉積的過程中，電極移動(dòng)和保護(hù)氣流不均勻，摻雜進(jìn)了空氣形成氣孔，使涂層剝落形成的。

CoCr合金涂層的表面形貌圖，如圖3-a 所示。從圖中可以看出，合金涂層表面并不均勻，呈現(xiàn)凹凸?fàn)?，還有一些飛濺和裂紋，可能是因?yàn)槌练e脈沖產(chǎn)生的瞬間高溫使合金熔化甚至氣爆，熔滴中的CoCr合金和基底Ti擴(kuò)散、合金化，濺射到基材表面，而且由于冷卻速度較快，合金熔滴在沉積完后會(huì)快速收縮、凝固，會(huì)在基底表面產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，在沉積層出現(xiàn)飛濺和裂紋；隨著沉積時(shí)間的增加，沉積過程中多次產(chǎn)生的飛濺由于其不均勻性，堆疊在沉積層表面甚至產(chǎn)生氣孔。CoCr合金涂層的三維形貌圖，如圖2-b所示。由圖可以看出，CoCr合金涂層比較致密，厚度為40-60 μm，且粗糙度變化較小，且涂層表面過渡相對(duì)平緩，沒有明顯的高度突變，表明CoCr合金涂層表面形貌性能較好。

3.4 CoCr涂層的成分分析

基底和涂層中Co，Cr，Ti元素的成分變化曲線，如圖4所示。

由上圖可以看出，沉積層中的Co，Cr元素含量明顯高于基體，從涂層到基體明顯的減少，Ti元素含量卻相反。這表明，基底和涂層在沉積過程中元素發(fā)生了相互擴(kuò)散；但是由于脈沖時(shí)間極短（10-6～10-5 s），且Co， Cr元素是由沉積層向基底過渡擴(kuò)散，Ti元素由基底向沉積層過渡，元素并不能充分的擴(kuò)散，在涂層和基底間形成了三種元素的擴(kuò)散區(qū)；同時(shí)由于沉積層溫度高于基底的溫度，在接近表面處，基底的Ti元素更容易向涂層擴(kuò)散，所以圖4中Ti元素的過渡相對(duì)平緩，而Co， Cr元素含量下降更快。

3.5 CoCr涂層的相結(jié)構(gòu)分析

基底和涂層過渡區(qū)的相結(jié)構(gòu)X射線衍射圖譜，如圖5所示。通過對(duì)涂層的X射線衍射圖譜分析可得出，基體由單一相Ti組成，其X衍射為Ti的峰，如圖5-a所示。圖5-b表明合金涂層和基底Ti的過渡區(qū)域中除了單相Ti外，還有強(qiáng)化相Cr2Ti， Ti5Si4及Cr1.97Ti1.07等新相生成，以及其他一些峰值較小的相。這說明在沉積過程中，過渡區(qū)的組織也發(fā)生了變化，基底和電極發(fā)生了化學(xué)冶金反應(yīng)，這和涂層的成分分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

由此可得出：電火花沉積不是簡(jiǎn)單的涂鍍過程，而是電極材料和基底元素在沉積過程中在高溫條件下發(fā)生劇烈復(fù)雜的擴(kuò)散和合金化等反應(yīng)，在過渡區(qū)產(chǎn)生冶金結(jié)合，極大地提高了材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)。

4 結(jié) 語

①根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)，在純Ti表面制備的CoCr合金涂層的顯微硬度為430 HV，約是基底硬度的4倍。

②涂層厚度不是非常均勻，約為40～60 μm，粗糙度變化較小。涂層表面有少量飛濺、裂紋和孔洞，但是涂層比較致密，且涂層和基底過渡較為平緩。

③在沉積過程中，涂層和基底在接觸界面處發(fā)生了元素的相互擴(kuò)散，基底中的Ti元素向沉積層過渡，而沉積層中的Co， Cr元素向基底過渡。

④合金涂層與Ti基體的過渡層除了基底相外，還有Cr2Ti、Ti5Si4、Co2Si3及Cr1.97Ti1.07等強(qiáng)化相的生成，表明涂層與基體發(fā)生了化學(xué)冶金反應(yīng)，為冶金結(jié)合。

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