鈦合金表面電火花沉積NiCr-3 涂層性能的工藝規(guī)律研究

劉 宇，劉國良，蘇全寧，曲嘉偉，王紫光，張生芳

（ 大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028 ）

鈦合金具有密度小、比強度高等優(yōu)良性能[1-2]，廣泛應(yīng)用于航空航天、 生物醫(yī)學和核工業(yè)等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟和國防軍工的發(fā)展中具有重要的地位和作用[3-4]。 但作為關(guān)鍵零部件工作表面，鈦合金的耐磨性及耐腐蝕性能較差，限制其發(fā)展與應(yīng)用。 表面強化技術(shù)可有效改善材料表面的各項性能，其中電火花沉積技術(shù)由于涂層結(jié)合強度高、 操作靈活、熱輸入小等優(yōu)勢，得到了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注。 電火花沉積加工的實質(zhì)是通過電容放電使極間產(chǎn)生脈沖電弧，產(chǎn)生大量的熱使材料熔化，熔融的電極材料形成液滴過渡到基體材料表面上，形成滿足工件表面各項性能要求的沉積涂層。

在電火花沉積工藝方面，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，并取得了較為豐碩的成果。 Velichko 等[5]通過試驗得到最優(yōu)加工參數(shù)為放電能量0.6~1.3 J、放電頻率250 Hz、比沉積時間42~53 s/cm2，涂層表面質(zhì)量較好。 周永權(quán)等[6]在45 鋼表面制備得到Stellite3 沉積涂層， 研究發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)在干摩擦條件下隨著載荷和摩擦速度的增加而先增加后減小。魏祥等[7]通過測試硬度及磨損2 h 的磨損量發(fā)現(xiàn)，在氬氣氣氛中沉積的涂層相較于在空氣中有更好的耐磨性及更高的硬度。 吳公一等[8]在鈦表面沉積了CoCr/WC 涂層和WC 涂層，沉積30 min 后發(fā)現(xiàn)前者的厚度約為后者的兩倍，前者的耐磨性和顯微硬度均略優(yōu)于后者。 王彥芳等[9]在鋁合金表面沉積鋯基涂層，分析了該涂層的表面形貌、顯微硬度、微觀結(jié)構(gòu)及摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)鋯基涂層的平均顯微硬度約為基體顯微硬度的15 倍，在磨損40 min 后，涂層的磨損量是基體的1/12 且相較于基體具有較高的硬度及良好的減摩耐磨特性。

目前， 國內(nèi)外學者對鈦合金表面NiCr-3 涂層的研究不夠完善且在涂層耐腐蝕性上的研究較少，本文研究了工藝參數(shù)對鈦合金表面NiCr-3 涂層耐磨性和耐腐蝕性的影響規(guī)律，分析了影響涂層耐磨性和耐腐蝕性的原因，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。

1 試驗條件及方法

本文開展了電火花沉積試驗，采用的試樣是尺寸為 18 mm×12 mm×10 mm 的 TC4 鈦合金，其主要成分見表1。在沉積試驗前，采用砂紙將工件表面從200# 打磨到2000#， 接著將工件表面拋光至鏡面，并用無水乙醇將其清洗后再烘干。 試驗采用的電極是尺寸為 12 mm×3 mm 的 NiCr-3 鎳基合金， 其主要成分見表2。

表1 TC4 鈦合金成分含量

表2 NiCr-3 電極的成分表

本文采用HB-06 型電火花堆焊機進行沉積，電火花沉積加工示意圖見圖1。選擇沉積電壓、沉積頻率、比沉積時間作為工藝規(guī)律試驗的因素，設(shè)計單因素試驗，試驗方案見表3。 沉積試驗后，利用精度為1 mg 的電子秤對試樣進行稱重， 取三次測量的平均值作為測量結(jié)果。

表3 試驗方案

圖1 電火花沉積加工示意圖

針對沉積涂層的耐磨性和耐腐蝕性，本文對制備的涂層進行磨損和腐蝕試驗，通過測量涂層的損失質(zhì)量，研究了不同工藝參數(shù)對涂層耐磨性和耐腐蝕性的影響規(guī)律，具體流程見圖2。

圖2 工藝規(guī)律試驗流程圖

本文采用MRH-5 型磨損試驗機對涂層進行磨損試驗， 通過NiCr-3 電極沉積的涂層含有Ni3Ti、Ni2Ti、Cr2Ti、Cr1.93Ti1.07相等硬質(zhì)相， 這些硬質(zhì)相可提高材料耐磨性、減小磨損。 通過前期試驗選取的試驗參數(shù)為：試驗力為500 N、最大摩擦力為300 N、轉(zhuǎn)速為360 r/min、磨損時間為2 min。 試驗結(jié)束后，清除試樣表面的磨屑等雜質(zhì)，待其溫度冷卻至室溫后用電子秤稱重。

本文采用鹽酸浸泡試驗來加速模擬生活中零件腐蝕的過程， 試驗參數(shù)見表4。 在進行腐蝕試驗時，需讓HCl 溶液剛好沒過試件的涂層部分；利用無水乙醇對腐蝕后的試樣進行清洗，隨后用去離子水清洗；烘干后，用電子秤對試樣進行秤重，計算涂層腐蝕后的損失質(zhì)量。

表4 涂層磨損試驗參數(shù)表

2 工藝參數(shù)對涂層耐磨性的影響

2.1 沉積電壓的影響

圖3 為不同電壓下沉積涂層磨損量的變化曲線。 可見，電壓為30 V，涂層磨損量最大；電壓為30~70 V，涂層磨損量隨著電壓的增加而下降；電壓增至80 V，涂層磨損量小幅上升。還可看出，電壓為30~50 V，涂層磨損量的下降趨勢比較明顯；電壓為50~70 V，涂層磨損量的降幅不斷減小，直到電壓增大到70 V，涂層磨損量降為最小時的34 mg。 因此，在鈦合金表面進行涂層沉積時，一定范圍內(nèi)存在一個使涂層耐磨性最好的最優(yōu)電壓。

圖3 不同放電電壓對涂層磨損量的影響

形成上述規(guī)律的原因是，沉積電壓能影響兩極間的放電能量，隨著電壓的增加，增大的能量使熔滴體積變大，也使工件表面熔化的材料增多，二者結(jié)合形成致密的沉積層，提高了涂層耐磨性，因此沉積電壓為50~70 V 時的涂層磨損量不斷下降。 放電能量過大會使涂層熱應(yīng)力增加，瞬間汽化引起的氣體爆炸變強，熔滴的飛濺增加，導致涂層的微裂紋和剝落；同時，積聚的能量降低了氬氣的保護效果，引起外界空氣卷入，使涂層表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，造成涂層變脆甚至剝落， 從而降低了涂層耐磨性。因此，沉積電壓為80 V 時，涂層磨損量小幅增加。

2.2 沉積頻率的影響

圖4 為不同頻率下的沉積涂層磨損量變化曲線。 可見，沉積頻率為200 Hz 時，涂層磨損量為45 mg， 并且涂層磨損量隨著沉積頻率的增加而減??；沉積頻率為200~350 Hz 時， 涂層磨損量的降幅較大；沉積頻率為350~450 Hz 時，涂層磨損量降幅不斷變小。 其中，涂層磨損量在沉積頻率增至450 Hz時達到最小，此時最小值為26 mg。 因此，在電火花沉積的其他工藝參數(shù)一定的情況下，涂層耐磨性隨著沉積頻率的提高而降低；當沉積頻率超過350Hz，沉積頻率對涂層耐磨性的影響逐漸變小。

圖4 不同放電頻率對涂層磨損量的影響

形成上述規(guī)律的原因是，沉積頻率提高，單位時間內(nèi)兩極間的放電次數(shù)增加，部分材料在單個脈沖放電結(jié)束后未完全凝固， 隨著下一個脈沖的發(fā)生，材料再次受熱熔化，延長了沉積層液相材料存在的時間， 使涂層形成時的元素過渡過程更加充分。 因此，頻率越大，沉積涂層越均勻致密，其表面質(zhì)量越高，進而涂層耐磨性逐漸提高。 當沉積頻率超過一定范圍后， 單個脈沖放電的能量會有所下降，進而影響沉積效果。 因此，頻率超過350 Hz，對耐磨性的影響逐漸減小。

2.3 比沉積時間的影響

圖5 為不同比沉積時間條件下的涂層磨損量變化曲線。 可見，比沉積時間為40 s/cm2，涂層磨損量為57 mg；比沉積時間為40~70 s/cm2，沉積涂層磨損量隨著比沉積時間的增加而不斷減小；比沉積時間超過70 s/cm2，涂層磨損量逐漸趨于穩(wěn)定。 其中，比沉積時間為40~60 s/cm2，涂層磨損量的下降趨勢較為明顯，比沉積時間為60 s/cm2以上時，涂層磨損量的下降幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，并在比沉積時間為 70 s/cm2達到最小， 此時最小值為 36 mg。 因此，在其他參數(shù)確定時，比沉積時間的增加可提高涂層耐磨性；比沉積時間超過70 s/cm2，比沉積時間對涂層耐磨性的影響降為最小。

圖5 不同比沉積時間對涂層磨損量的影響

形成這一規(guī)律的原因是， 當比沉積時間較小時，電極在沉積區(qū)域停留的時間減小，從電極轉(zhuǎn)移到工件上的熔融材料的體積減小，工件表面部分區(qū)域未被熔融的電極材料鋪滿，造成最終的沉積層不夠致密且耐磨性較差，若增加比沉積時間可增加轉(zhuǎn)移到工件表面的熔融材料的體積，使涂層更加均勻致密，同時提高涂層耐磨性；當比沉積時間過長時，涂層局部區(qū)域經(jīng)歷的放電受熱與冷卻凝固過程過多，會降低沉積層的結(jié)合強度，從而影響比沉積時間對涂層耐磨性的提升效果，故當比沉積時間超過70 s/cm2，涂層的耐磨性變化不大。

3 工藝參數(shù)對涂層耐腐蝕性的影響

3.1 沉積電壓的影響

圖6 為不同電壓下的沉積涂層腐蝕量變化曲線。 可見，沉積電壓為30 V，涂層腐蝕量最大；電壓為30~60 V， 涂層腐蝕量隨著沉積電壓的增大而減小，且電壓由30 V 逐漸增大后，涂層腐蝕量下降趨勢較為明顯， 并在電壓為60 V 時降為最小的13 mg；電壓在60~80 V 之間時，涂層腐蝕量與電壓60 V 時相比略有上升；電壓增加到80 V 時，涂層腐蝕量上升為18 mg。 因此，在其他參數(shù)確定的情況下，沉積層的耐腐蝕性會隨著電壓的增加而提高，當電壓超過一定范圍，其提升程度有所減小。

圖6 不同放電電壓下的涂層腐蝕量

造成上述現(xiàn)象的原因是，沉積電壓的增大會使單個脈沖釋放的能量增加，增大電極與工件表面聚集的熱量，從而使熔化的電極熔滴體積增加；熔化后的電極材料在工件表面伸展，熔滴與熔滴之間相互堆疊，形成致密的沉積層，從而提高沉積層的耐腐蝕性。 因此，提高電壓可改善涂層的耐腐蝕性，而電壓過大會使材料氣化的部分增多，氣化產(chǎn)生的蒸汽力增加，在材料表面形成濺射物，導致涂層的粗糙度增加、涂層質(zhì)量下降，進而導致沉積層耐腐蝕性的提升幅度略有下降。 因此，電壓為60~80 V 時，沉積層的耐腐蝕性提升不如之前明顯。

3.2 沉積頻率的影響

圖7 為不同放電頻率下的沉積涂層腐蝕量變化曲線。 可見，涂層腐蝕量隨著沉積頻率的增加而不斷減少且在沉積頻率為200 Hz 處最大， 此時為20 mg；隨著沉積頻率增加，沉積層腐蝕量的降低趨勢逐漸減小，在沉積頻率為450 Hz 時，腐蝕量降為最小的13 mg。 因此，在鈦合金表面進行沉積時，沉積涂層的耐腐蝕性隨著沉積頻率的增加而提高。

圖7 不同放電頻率下的涂層腐蝕量

造成上述現(xiàn)象的原因是，增大沉積頻率可增加單位時間內(nèi)極間的放電次數(shù)，減少放電熔化后的電極液滴在工件表面上的間距，使材料更加緊密地結(jié)合在一起且彼此之間的元素得到充分的過渡，在工件表面形成更加致密的沉積層； 隨著沉積的進行，工件表面不斷被熔融的液滴所覆蓋，形成連續(xù)均勻的涂層表面，使沉積層的耐腐蝕性逐漸提高；沉積頻率過大會降低單次放電的能量，從而降低對材料的細化程度和結(jié)合強度的影響，使沉積頻率對沉積層耐腐蝕性的提升幅度逐漸減小。

3.3 比沉積時間的影響

圖8 為不同比沉積時間下的沉積涂層表面腐蝕量變化曲線。 可見，沉積層在比沉積時間為40 s/cm2時的涂層腐蝕量最大，腐蝕量為24 mg；在比沉積時間增至70 s/cm2前， 沉積涂層的腐蝕量隨比沉積時間的增加而不斷減??；涂層腐蝕量在比沉積時間增加到70 s/cm2時達到最小時的15 mg； 當比沉積時間為70~90 s/cm2之間時， 涂層腐蝕量與比沉積時間恰好為70 s/cm2時相比有所上升。由此可得，在其他沉積工藝參數(shù)一定的情況下，隨著比沉積時間的增加，涂層的耐腐蝕性逐漸提高；當比沉積時間超過70 s/cm2， 涂層耐腐蝕性的提升程度與之前相比有所減小。

圖8 不同比沉積時間下的涂層腐蝕量

造成上述現(xiàn)象的原因是， 在比沉積時間較小時，電極在單位區(qū)域內(nèi)停留的時間較短，電極向工件表面轉(zhuǎn)移的熔融液滴的體積減小，電極材料與工件表面材料間結(jié)合不充分，導致形成的沉積層不夠均勻， 使沉積涂層表面表現(xiàn)出較差的耐腐蝕性；隨著比沉積時間的增加，單位區(qū)域內(nèi)熔化的電極材料增加， 與工件表面熔池結(jié)合的熔滴的體積增加，工件表面材料相互間結(jié)合的更加緊密，最終形成質(zhì)量更好的沉積層， 從而逐漸提高了涂層的耐腐蝕性；在沉積加工時間增加的過程中，涂層耐腐蝕性逐漸提高，但當電極轉(zhuǎn)移的材料超過一定量時，工件表面材料的堆積會使涂層的表面粗糙度值增加、表面質(zhì)量變差，同時比沉積時間的增加會不斷向材料內(nèi)部輸入熱量，涂層內(nèi)部因材料因不斷經(jīng)歷受熱和冷卻的過程而產(chǎn)生疲勞裂紋，導致沉積涂層的表面質(zhì)量降低，最終出現(xiàn)涂層的耐腐蝕性提升不如之前的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了鈦合金表面電火花沉積NiCr-3 涂層工藝規(guī)律試驗，研究了電火花沉積工藝參數(shù)對涂層耐磨性及耐腐蝕性的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）涂層的耐磨性隨著沉積電壓的增大而逐漸提高，當沉積電壓為80 V 時，涂層的耐磨性與沉積電壓為70 V 時的情況相比略有降低； 隨著沉積頻率的增加，涂層的耐磨性逐漸提高；涂層的耐磨性隨著比沉積時間的增加而不斷提高，當比沉積時間超過70 s/cm2，涂層的耐磨性逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）涂層的耐腐蝕性隨著沉積電壓的增大逐漸提高，當電壓超過一定范圍，沉積層的耐腐蝕性提升程度有所降低。

（3）涂層的耐腐蝕性隨著沉積頻率的增大而逐漸提高， 其提升趨勢會隨著頻率的增大而慢慢減??；沉積涂層的耐腐蝕性還會隨著比沉積時間的增加而呈現(xiàn)先不斷提高后有所降低的趨勢。