重熔等離子噴涂層的裂紋形成原因與對(duì)策分析

(河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

重熔等離子噴涂層的裂紋形成原因與對(duì)策分析

劉明田堯董天順李國(guó)祿

(河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

采用等離子噴涂技術(shù)，在45號(hào)鋼基體上制備了鎳基涂層，然后對(duì)涂層進(jìn)行了鎢極氬弧(TIG)重熔處理，之后采用掃描電鏡對(duì)重熔涂層進(jìn)行了組織形貌觀察，并對(duì)裂紋進(jìn)行了EDS能譜分析。結(jié)果表明，重熔電流對(duì)重熔層裂紋傾向有明顯影響，當(dāng)電流為50 A，重熔層成型良好，內(nèi)部沒(méi)有裂紋，當(dāng)電流增加到60 A和90 A時(shí)，裂紋越來(lái)越顯著；此外，EDS能譜結(jié)果表明，裂紋中存在較多的B，Si元素；在此基礎(chǔ)上，分析了裂紋的形成原因并提出了解決措施。

熱噴涂涂層重熔裂紋

0 序 言

現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)械零部件表面的防護(hù)性能提出了越來(lái)越高的要求[1]。熱噴涂技術(shù)是表面工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[2]。然而，由于熱噴涂層大多呈多孔的層狀結(jié)構(gòu)，與基體結(jié)合強(qiáng)度較弱，容易剝落，并且涂層表面不均勻，耐磨與耐腐蝕性能較差等，因此近年來(lái)人們積極探索涂層重熔處理技術(shù)[3]。

重熔處理是使用高溫?zé)嵩磳⑼繉又械牟糠纸饘偃刍?，金屬液滲入其它金屬顆粒當(dāng)中，填充金屬顆粒間的孔隙，使孔隙率降低甚至消失，熱噴涂層中疏松的層狀組織變?yōu)檩^均勻的致密組織。對(duì)熱噴涂層進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹厝厶幚?，還可以提高涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高涂層的耐磨與耐腐蝕性能。目前，重熔處理技術(shù)主要有激光重熔[4]、電子束重熔[5]、鎢極氬弧重熔[6]、火焰重熔[7]、整體加熱重熔[8]和感應(yīng)重熔等。文中主要針對(duì)TIG重熔Ni基等離子噴涂層中裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了研究對(duì)比了重熔電流的大小對(duì)重熔層裂紋傾向的影響，分析了裂紋的形成原因并提出了若干解決措施，研究結(jié)果對(duì)提高熱噴涂層的性能具有參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用型號(hào)為80KWGP-80型的等離子噴涂設(shè)備制備涂層；重熔試驗(yàn)使用的是由唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司生產(chǎn)的YC-300WC型交直流氬弧焊機(jī)；使用Nikoneclipse MA100型光學(xué)顯微鏡對(duì)涂層截面形貌進(jìn)行觀察；采用HITACHI公司生產(chǎn)的S-4800/TMP型掃描電子顯微鏡對(duì)涂層進(jìn)行微觀形貌分析，并使用與該掃描電鏡配套的EDAX-AMETEK能譜儀進(jìn)行涂層元素分析。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的噴涂粉末為Ni基粉末，粒度為48 μm，化學(xué)成分見(jiàn)表1，微觀形貌如圖1所示。將噴涂粉末放到紅外烘干箱中加熱到 80 ℃，保溫6 h，以去除潮氣與水分，避免在噴涂過(guò)程中由于水分存在而形成氣孔與裂紋，另外能夠抑制粒子在噴涂過(guò)程中飛濺，降低涂層中因飛濺造成的氣孔，從而提高涂層的質(zhì)量。

表1 NiCrBSi粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

基體材料選用45號(hào)鋼板，試驗(yàn)前使用無(wú)水乙醇或者丙酮去油，風(fēng)干后對(duì)試樣進(jìn)行表面噴砂粗化處理，使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，并增大結(jié)合面積。

1.3 等離子噴涂層的制備

噴涂時(shí)選擇噴涂電壓為60 V，噴涂電流500 A，噴涂功率30 kW，Ar氣流量為5 L/min，H2為次氣體，把基體從焊條烘干箱中快速拿到噴涂平臺(tái)上，噴涂距離為 110 mm，然后立刻對(duì)基體進(jìn)行均勻噴涂。涂層厚度大約 400 μm，噴涂完畢自然冷卻。

圖1 NiCrBSi粉末微觀形貌

1.4 等離子噴涂層的重熔處理

把噴涂好的試樣進(jìn)行電弧重熔，采用直流正接法，鎢極直徑為 2.4 mm，鎢極形狀為50°尖角形；氬氣純度為99%，氣流量為10 L/min；電流分別為50 A，60 A，90 A，焊接速度為6 mm/s，弧長(zhǎng)為2 mm，此時(shí)焊縫成形較好，具有熔寬大熔深淺的特點(diǎn)。重熔后將其放在空氣中自然冷卻，得到重熔涂層。

1.5 金相觀察

將噴涂和重熔后的試樣用線切割數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切割，然后用水砂紙打磨后拋光處理，然后使用40%硝酸酒精溶液腐蝕。用Nikon eclipse MA100型光學(xué)顯微鏡觀察涂層和重熔層的截面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)不同重熔參數(shù)下涂層和重熔層的截面形貌進(jìn)行觀察和分析，然后使用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)重熔層裂紋形貌進(jìn)行表征，并對(duì)相應(yīng)微區(qū)進(jìn)行EDX能譜分析。

2.1 涂層表征

不同重熔參數(shù)下涂層的微觀形貌如圖2所示。圖2a為未經(jīng)重熔的涂層，可見(jiàn)其表面粗糙，內(nèi)部有較多微小氣孔和夾雜；圖2b是電流為50 A的重熔層，其形貌與未重熔的相比明顯致密均勻，氣孔和夾雜數(shù)量明顯減少，沒(méi)有裂紋出現(xiàn)。圖2c和圖2d分別是電流為60 A和電流為90 A的重熔層，可見(jiàn)其截面形貌雖然更加致密，幾乎沒(méi)有氣孔和夾雜，但是出現(xiàn)了明顯的裂紋缺陷，其中電流為90 A時(shí)裂紋更加明顯。

2.2 裂紋SEM觀察與EDX能譜分析

圖3是電流為90 A的重熔層中裂紋處SEM微觀形貌對(duì)AB區(qū)域進(jìn)行EDX能譜分析，得到兩區(qū)域各元素所占的比例，見(jiàn)表2?？梢钥闯?，圖3a中A區(qū)域O,Si元素含量較高，B區(qū)域B元素含量較高。

圖2 不同重熔參數(shù)下涂層的截面形貌

圖3 重熔層(90 A)裂紋處微觀形貌

元素A區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)原子分?jǐn)?shù)B區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)原子分?jǐn)?shù)BK——24.3638.61CK12.1823.1020.6129.40OK24.6735.1511.4512.26FeL26.0410.6322.576.92SiK26.2921.3321.0112.82NiL10.839.80——

3 討 論

鎳基涂層進(jìn)行TIG重熔之后，重熔層表面和截面的成型均較好，內(nèi)部孔隙、夾雜物顯著減少。但經(jīng)過(guò)微觀分析可知，部分重熔層內(nèi)部存在裂紋缺陷，未完全實(shí)現(xiàn)TIG重熔的目的，下面對(duì)裂紋形成原因及解決措施進(jìn)行分析。

3.1 裂紋出現(xiàn)的原因

經(jīng)分析可知，重熔層出現(xiàn)的裂紋為熱裂紋中的結(jié)晶裂紋。

從材料的內(nèi)因考慮，影響重熔層形成裂紋的冶金因素主要是噴涂粉末的化學(xué)成分，試驗(yàn)所用的Ni基粉末屬于熱噴涂常用粉末，其中B,Si元素含量較高，雖然采用該粉末能得到質(zhì)量良好的噴涂層，并在熱噴涂中得到廣泛應(yīng)用，但是重熔后B,Si元素容易造成裂紋缺陷。當(dāng)重熔層中B元素含量較高時(shí)，將弱化晶界，易形成裂紋，降低重熔層的韌性；而Si易于在金屬中形成低熔點(diǎn)共晶組織，在金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，此時(shí)由于收縮而受到了拉應(yīng)力，液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶，在拉應(yīng)力的作用下就有可能在這個(gè)薄弱地帶開(kāi)裂而形成結(jié)晶裂紋。

重熔層形成裂紋的一個(gè)重要外在原因就是重熔電流。由于電流大小主要影響熔深，當(dāng)采用較大電流時(shí)，熔深較深，此時(shí)重熔層所承受的應(yīng)力正好作用在焊縫的結(jié)晶面上，而這個(gè)面是晶粒之間聯(lián)系較差，雜質(zhì)聚集的地方，所以容易引起裂紋；反之，當(dāng)采用較小電流時(shí)，裂紋傾向就較小，如圖4所示。

3.2 解決思路

鎳-鉻-硼-硅系自熔合金是鎳基自熔合金中的重要體系，具有硬度高、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，但是綜合考慮重熔層中結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因，需要從成分和工藝兩個(gè)方面入手加以解決。

圖4 電流大小對(duì)裂紋傾向的影響

3.2.1適當(dāng)調(diào)整噴涂粉末的成分

加入對(duì)焊縫有細(xì)化和抗熱裂作用的合金，如Mo,V,Ti,Nb,Zr,Al及稀土元素等，以改變結(jié)晶組織的形態(tài)，細(xì)化晶粒，從而提高抗裂性能。Ce,La,Y等稀土元素極易與其它元素反應(yīng)，生成穩(wěn)定的化合物，在重熔層凝固過(guò)程中可以作為結(jié)晶核心、增加形核率，并吸附于晶界阻止晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化枝晶組織。同時(shí)，稀土元素與S,O的親和力極強(qiáng)，又是較強(qiáng)的內(nèi)吸附元素，易存在于晶界，既強(qiáng)化晶界又凈化晶界，在內(nèi)氧化層前沿阻礙氧化過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，可明顯提高高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能。另外，稀土還可有效改善重熔層的顯微組織，使硬質(zhì)相顆粒形狀得到改善并在熔覆層中均勻分布。

3.2.2采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?/p>

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看到，重熔層的裂紋傾向隨著重熔電流的增大而明顯增加，因此應(yīng)盡可能采用較小的電流進(jìn)行重熔。此外，為了減小重熔后的冷卻速度，也可以采用重熔前預(yù)熱或者重熔后緩冷的措施。

4 結(jié) 論

(1)采用TIG工藝可以對(duì)Ni基等離子噴涂層進(jìn)行重熔處理，重熔層成型良好，內(nèi)部氣孔、夾雜缺陷明顯減少。

(2)Ni基重熔層有裂紋傾向，可以采用以下解決方案：調(diào)整粉末成分，在粉末中加入對(duì)焊縫有細(xì)化和抗熱

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裂作用的合金元素；采用適當(dāng)?shù)闹厝酃に?，即盡可能采用較小的電流，或者采取重熔前預(yù)熱或重熔后緩冷的措施。

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TG402

2017-06-21

國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目(51675158);河北省自然科學(xué)基金(E2016202325);河北工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(DCI201710080070)。

劉 明，1996年出生，大學(xué)本科。

董天順，1968年出生，副教授。