熱噴涂涂層金相常見(jiàn)缺陷與預(yù)防措施

陳 輝，吳建軍

（襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠，湖北 襄陽(yáng) 441002）

熱噴涂涂層的質(zhì)量評(píng)定通常采用力學(xué)性能及外觀檢查法，隨著航空裝備零部件壽命的延長(zhǎng)和使用環(huán)境溫度的提高，對(duì)涂層質(zhì)量的要求越來(lái)越高，單純采用力學(xué)性能及外觀檢測(cè)進(jìn)行涂層質(zhì)量評(píng)定已無(wú)法滿足涂層質(zhì)量控制要求。金相法是檢測(cè)和分析材料微觀組織的主要方法，可直觀了解涂層的結(jié)構(gòu)、成分，評(píng)估涂層的質(zhì)量等級(jí)。熱噴涂涂層由于其特定的形成方式，其涂層組織和金屬材料組織完全不同，涂層組織一般會(huì)產(chǎn)生界面污染、界面分離、裂紋等缺陷。

1 缺陷現(xiàn)象

1.1 界面污染

界面污染是指涂層與基體、涂層與涂層之間嵌入的外來(lái)物質(zhì)（比如砂粒）或污染物。具體如圖1 所示。

圖1 界面污染

1.2 界面分離

界面分離是指涂層與基體交界處未結(jié)合并呈線性開(kāi)裂，如圖2 所示。

圖2 界面分離

1.3 裂紋

涂層中的裂紋比較復(fù)雜，從大小來(lái)分可分為宏觀裂紋和微觀裂紋，如圖3 所示。

圖3 涂層裂紋

2 原因分析及預(yù)防措施

2.1 界面污染

2.1.1 原因分析

界面污染主要原因是吹砂過(guò)程中基體中嵌入了砂粒，以及基體表面有其他附著物。

2.1.1.1 砂粒嵌入

吹砂工序是熱噴涂前的表面預(yù)處理工序，通常采用干吹砂，在吹砂的過(guò)程中，采用的吹砂壓力過(guò)大，吹砂角度垂直于吹砂面等都會(huì)造成基體中嵌入砂粒。

2.1.1.2 其他附著物

其他附著物包括：①壓縮空氣污染。干吹砂一般采用壓縮空氣作為氣源，從空壓機(jī)中產(chǎn)生的壓縮空氣包含大量的油和水，必須經(jīng)過(guò)油水分離器過(guò)濾才能使用。如果過(guò)濾器失效，則壓縮空氣中的油、水在吹砂中會(huì)污染吹砂面，造成界面污染。②其他雜物污染。吹砂機(jī)中砂粒經(jīng)壓縮空氣帶動(dòng)經(jīng)過(guò)管道到達(dá)噴砂嘴，噴向零件，噴砂管道一般都是采用橡膠管，如果長(zhǎng)時(shí)間使用橡膠管，產(chǎn)生老化，砂粒流動(dòng)時(shí)會(huì)使橡膠管壁脫落，脫落的橡膠渣隨砂粒噴到基體表面，易附在吹砂面上，造成界面污染。

砂粒長(zhǎng)期使用不更換或吹砂預(yù)處理與除涂層共用吹砂機(jī)會(huì)造成砂粒污染，進(jìn)而造成界面污染。

2.1.2 預(yù)防措施

2.1.2.1 細(xì)化吹砂工藝

在吹砂工藝中明確吹砂壓力、吹砂角度等參數(shù)。規(guī)定采用吸射式吹砂機(jī)吹砂壓力為0.4～0.6 MPa，壓入式吹砂機(jī)吹砂壓力為0.2～0.4 MPa；吹砂角度不允許與吹砂面呈90°，吹砂槍吹砂時(shí)不能停止不動(dòng)，避免過(guò)吹。

2.1.2.2 定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)

定期更換吹砂設(shè)備中的易損件，在吹砂機(jī)附近安裝油水分離器，定期更換砂粒，并禁止吹砂預(yù)處理與除涂層共用吹砂機(jī)。

2.2 界面分離

2.2.1 原因分析

界面分離主要發(fā)生在陶瓷涂層等涂層與基體材料物理特性相差較大的情況下，主要原因有2 方面：①噴涂工藝設(shè)計(jì)不合理；②金相制樣過(guò)程中，參數(shù)不合理產(chǎn)生界面分離。

2.2.1.1 噴涂工藝設(shè)計(jì)不合理

涂層之所以與基體分離，就是因?yàn)橥繉优c基體之間拉應(yīng)力大于涂層與基體之間的結(jié)合力。涂層的厚度越厚，涂層與基體之間拉應(yīng)力越大，越易導(dǎo)致界面分離。比如噴涂熱障涂層，為了提高涂層的隔熱效果，可增加涂層厚度。由于熱障涂層與基體的熱膨脹系數(shù)差別較大，當(dāng)涂層厚度增大時(shí)，易導(dǎo)致界面分離。

2.2.1.2 制樣參數(shù)不合理

涂層的金相檢查與常規(guī)金屬材料一樣，也需要鑲嵌、磨拋，在使用熱鑲嵌制樣，并且鑲嵌壓力過(guò)大時(shí)，對(duì)于陶瓷涂層，易造成界面分離。另外，如果試樣過(guò)大，需要切割時(shí)，切割參數(shù)不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致界面分離。

2.2.2 預(yù)防措施

2.2.2.1 優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮涂層與基體的物理特性，當(dāng)相差較大時(shí)，應(yīng)限定涂層的最大厚度，比如對(duì)于陶瓷涂層，最大厚度不超過(guò)0.3 mm。當(dāng)需要增大涂層厚度時(shí)，采用噴涂過(guò)度層方式，緩沖涂層與基體之間的拉應(yīng)力，比如噴涂氧化鋯前，使用鎳鉻鋁釔打底層。

2.2.2.2 合理制訂制樣參數(shù)

盡可能采用冷鑲試樣，如果必須采用熱鑲，應(yīng)嚴(yán)格限定鑲嵌壓力。試樣切割時(shí)，涂層朝上切割，避免切割時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖4 所示。

圖4 試樣切割示意圖

2.3 裂紋

2.3.1 原因分析

熱噴涂涂層沉積過(guò)程中粉末顆粒在焰流中加熱、加速沉積到基體預(yù)處理的表面上，形成涂層?；w表面溫度一般都低于200 ℃，噴涂粉末顆粒沉積到基體上會(huì)產(chǎn)生驟然冷卻，噴涂粉末顆粒冷凝和收縮，產(chǎn)生宏觀應(yīng)力，在力的作用下會(huì)產(chǎn)生裂紋。

涂層中宏觀的裂紋是不允許存在的，宏觀裂紋會(huì)導(dǎo)致涂層的剝落、掉塊等問(wèn)題。微觀裂紋是允許的，特別是縱向裂紋，在某些功能涂層中，縱向裂紋可延長(zhǎng)涂層的使用壽命。橫向微裂紋在某些涂層中也是允許的，比如在熱障涂層中，只要長(zhǎng)度不超過(guò)500 μm，也是可以接受的。

2.3.2 預(yù)防措施

主要避免涂層中產(chǎn)生宏觀裂紋，要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范操作，避免噴涂過(guò)程中基體溫度過(guò)高；防止金相試樣在制樣中產(chǎn)生涂層宏觀裂紋。

3 結(jié)束語(yǔ)

熱噴涂涂層金相檢查作為涂層質(zhì)量評(píng)估的重要方法，評(píng)估的要素較多，影響評(píng)估結(jié)果的干擾因素多，通過(guò)對(duì)熱噴涂涂層金相常見(jiàn)缺陷的分析，并制訂預(yù)防措施，可有效避免在制樣過(guò)程中產(chǎn)生缺陷，提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。