等離子噴涂涂層重熔后處理的研究現(xiàn)狀與展望

黃 東,宋立志,陳 蒙

(商丘工學院 機械工程學院，河南 商丘476000)

等離子噴涂作為表面防護的重要手段之一，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。等離子噴涂具有高速、高效、作用范圍廣等優(yōu)勢，可以將陶瓷材料的耐熱、耐磨、耐腐蝕等性能與基體金屬高韌性、高強度等性能結(jié)合起來，大大提高使用性能[1-3]。但各種熱效應會導致等離子噴涂涂層內(nèi)部產(chǎn)生較多缺陷，如孔隙率高、結(jié)合強度低而易發(fā)生剝落和開裂，此外，呈現(xiàn)層狀堆疊的涂層也是無法滿足實際生產(chǎn)需要的[4]。因此，可對噴涂涂層進行適當?shù)暮筇幚?，以提高涂層的耐磨、耐腐蝕等性能[5]。

本文主要對等離子噴涂涂層的幾種重熔后處理方式進行綜述，并對涂層后處理的發(fā)展趨勢進行探討。

1 噴涂涂層的激光重熔后處理

激光重熔后處理是指，利用高能激光束對工件表面的噴涂涂層進行照射，使陶瓷或合金涂層快速熔化并混合，在基體表面形成厚度為10～1 000 μm的熔覆層，再利用基體吸熱作用使熔池中的金屬液快速冷卻并凝固，從而細化合金組織，減少偏析，形成高度的過飽和固溶體等亞穩(wěn)定相乃至非晶態(tài)，達到對合金表面改性的目的[6-8]。文獻[5]給出的激光重熔后處理工藝如圖1所示。

圖1 激光重熔后處理工藝示意圖

相對于傳統(tǒng)滲碳、滲氮等熱處理技術(shù)，激光處理技術(shù)具有加工區(qū)可選、熱變形小，可處理形狀復雜零件，對零件內(nèi)部影響小等特點。對涂層進行激光重熔后處理可以去除涂層中的孔隙和層狀結(jié)構(gòu)，從而獲得均勻的顯微組織，并能通過涂層與基體界面附近的元素擴散來增強涂層與基體的結(jié)合強度[9-11]。

楊可等[12]通過激光重熔對等離子噴涂的Al2O3-40%TiO2涂層進行再處理，并對處理后涂層進行了耐沖蝕性能實驗。結(jié)果表明，激光重熔后處理消除了等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層的層狀結(jié)構(gòu)，使得等離子噴涂涂層中 γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3，形成了α-Al2O3+TiAl2O5的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

文獻[12]給出的等離子噴涂涂層及其激光重熔處理后的剖面組織如圖2所示。由圖2可見，經(jīng)激光重熔后處理，涂層組織更致密均勻、硬度更高，且具有冶金結(jié)合特征和更好的耐沖蝕性能。

(a) 等離子噴涂態(tài)

Wang[13]等利用激光重熔技術(shù)處理等離子噴涂涂層ZrO2-7wt%Y2O3(一種陶瓷涂層)，并對其顯微組織、顯微硬度及固體顆粒侵蝕行為進行研究。結(jié)果表明：ZrO2-7wt%Y2O3陶瓷涂層具有典型的層狀堆垛特性，表面粗糙，有一定孔隙和微裂紋；經(jīng)激光重熔后處理，該涂層表面的片層缺陷被消除，致密性得到明顯改善。此外，硬度測試表明，原涂層顯微硬度僅為1 050 HV，重熔處理后的涂層顯微硬度在1 900 HV；沖擊腐蝕測試表明，激光重熔處理后涂層的腐蝕質(zhì)量損失低于原涂層。Yu等[14]采用等離子噴涂技術(shù)在牌號為316L的不銹鋼上制備了Al2O3-20wt%ZrO2納米結(jié)構(gòu)涂層，并用連續(xù)的CO2激光進行了涂層的激光重熔后處理。研究結(jié)果表明：激光重熔后處理能使基體-涂層界面的機械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，顯著減少涂層的氣孔、微裂紋和未熔顆粒數(shù)，降低表面粗糙度；重熔處理后涂層的彈性模量(205.652±19.407 GPa)和納米硬度(17.606±3.251 GPa)均高于原涂層的彈性模量(159.823±32.174 GPa)和納米硬度(12.282±4.059 GPa);重熔處理后涂層的斷裂韌性也高于原涂層。Yi等[15]采用激光重熔技術(shù)對等離子噴涂氧化釔穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層進行重熔處理，并研究了該涂層在V2O5和Na2SO4混合熔鹽下的耐腐蝕性能，給出了圖3所示的涂層表面和截面形貌。結(jié)果表明，激光重熔后處理使涂層形成了致密光滑的表面，降低了熔鹽對涂層的滲透性，有效地提高了涂層的耐熱腐蝕性能。

(a) 等離子噴涂涂層表面形貌 (b) 等離子噴涂涂層截面形貌

等離子噴涂涂層經(jīng)激光重熔后處理，能提高致密性，降低孔隙率，改善耐蝕、耐磨性能及其與基體的結(jié)合強度。但是，由于陶瓷材料與基體金屬間熱膨脹系數(shù)的巨大差異以及陶瓷材料的高脆性，在激光重熔后處理的急劇加熱和冷卻過程中，陶瓷涂層易產(chǎn)生裂紋和剝落問題，使重熔后涂層的壽命降低，因此需要進一步研究激光重熔后處理的工藝參數(shù)，以獲得性能更優(yōu)越的涂層。

2 噴涂涂層的感應重熔后處理

感應重熔技術(shù)與其他重熔技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)勢：①熔覆層致密，性能較好；②效率高；③重熔后涂層與基體的結(jié)合更好；④對基體影響較??；⑤成本較低[16-22]。

Dong等[23-24]采用感應重熔技術(shù)，對AISI 1045鋼板上等離子噴涂的NiCrBSiNb涂層進行后處理，研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學性能和耐磨性，給出了圖4所示的NiCrBSiNb涂層及其感應重熔處理后的截面形貌。研究結(jié)果表明，經(jīng)感應重熔后處理，涂層中的缺陷基本消除，涂層與基體之間形成了冶金結(jié)合，力學性能得到了改善，涂層硬度和耐磨性得到了顯著提高。

Chen等[25]對等離子噴涂NiCrBSi-TiN復合涂層進行感應重熔后處理，并對重熔后涂層進行耐磨性和耐沖蝕性試驗，對比了感應重熔處理前后涂層摩擦系數(shù)(圖5)和磨損試驗后的表面形貌(圖6)。結(jié)果表明，感應重熔后處理可以消除NiCrBSi-TiN復合涂層的氣孔、微裂紋等缺陷而改善層間結(jié)合，改變涂層的顯微組織，在重熔涂層與金屬基體間形成過渡層，以顯著提高涂層的耐磨性和耐沖蝕性能。

(a) 等離子噴涂涂層

(a) 等離子噴涂涂層

萬麗寧等[26]采用大氣等離子噴涂方法制備NiCrBSi/WC-Ni 復合涂層，通過高頻感應加熱對涂層進行重熔后處理，并對重熔處理前后的涂層性能進行了對比。結(jié)果表明：NiCrBSi 涂層的附著力為14.7 N，所制備NiCrBSi/WC-Ni復合涂層的附著力為13.7 N；感應重熔處理后，NiCrBSi涂層的附著力為20.3 N，所制備NiCrBSi/WC-Ni復合涂層的附著力為18.4 N；復合涂層中基體相NiCrBSi的顯微硬度為432 HV，而WC-Ni相的顯微硬度為1 226 HV；感應重熔處理后，復合涂層中 NiCrBSi基體相的顯微硬度為340 HV，而WC-Ni 相的顯微硬度為1 013 HV。分析可知，感應重熔后處理增強了涂層的內(nèi)聚力，基本消除了涂層的顯微缺陷，實現(xiàn)了涂層與基體間的冶金結(jié)合，但感應重熔處理后涂層比原涂層的顯微硬度降低了。這是由于在感應重熔處理過程中，NiCrBSi 基體相的硬質(zhì)相顆粒會在高溫下發(fā)生一定程度的分解，而WC-Ni 相也會在高溫下發(fā)生部分脫碳分解。

涂層的感應重熔后處理比其他重熔技術(shù)效率更高，且重熔后涂層質(zhì)量更好，成本也較低，是一種非常好的后處理手段，但它也會使一些涂層硬度降低，還會受到涂層本身電阻率的影響而降低處理效率。因此，對硬度要求不高的涂層進行后處理時，可采用感應重熔的處理方式。

3 噴涂涂層的電子束重熔后處理

與常規(guī)技術(shù)相比，電子束表面改性有以下優(yōu)點與技術(shù)特性：①變形量小，可只針對被加工區(qū)域而不涉及其他區(qū)域；②精度高，便于精確控制；③效率高，能量利用率高；④工作過程清潔，無污染[27-29]。電子束重熔技術(shù)可有效改善涂層的抗氧化性能，減少涂層的氣孔，降低其表面粗糙度，提高涂層的粘結(jié)強度和耐磨性，阻止裂紋的產(chǎn)生[30-32]。文獻[33]給出的電子束重熔后處理工藝如圖7所示。

圖7 電子束重熔后處理工藝示意圖

徐向陽等[34]研究了電子束重熔后等離子噴涂CoCrW涂層組織的抗微動磨損性能。研究結(jié)果表明，電子束重熔后處理消除了原等離子噴涂涂層的層間氧化物、孔隙和層狀結(jié)構(gòu)，使重熔層與基體形成了冶金結(jié)合，將CoCrW涂層的抗微動磨損性能提高了13.3倍。吳亦哲[35]對等離子噴涂氧化鋯及鎢涂層進行電子束重熔，并對電子束重熔處理前后的涂層性能進行了表征(圖8)。結(jié)果表明，經(jīng)過電子束重熔后處理，氧化鋯涂層柱狀結(jié)構(gòu)的表面形成了致密的重熔層，重熔后涂層比原涂層的孔隙率降低20%，表面粗糙度有所降低，顯微硬度提升近兩倍，耐磨性及抗熱震性能顯著提高；鎢涂層在重熔后氧含量減小，空隙率降低，顯微硬度提升了近1.8倍。

注：(a)為重熔后氧化鋯及鎢涂層橫斷面形貌；(b)為重熔后氧化鋯及鎢涂層的表面形貌；(c)為重熔后氧化鋯及鎢涂層表面的柱狀結(jié)構(gòu)；(d)為等離子噴涂氧化鋯及鎢涂層的表面形貌。

李振鐸等[36]通過等離子噴涂制備Ni60A自熔合金涂層，并采用電子束重熔方式進行了后處理。結(jié)果表明：原涂層平均硬度為629 HV，電子束重熔處理后涂層的平均硬度為875 HV；電子束重熔后處理Ni60A自熔合金涂層比原涂層的耐磨性高、孔隙率低、固溶強化相多、結(jié)合強度高。吳健等[37]利用脈沖電子束技術(shù)對采用大氣等離子噴涂制備的8YSZ熱障涂層進行表面處理，并觀察其微觀結(jié)構(gòu)及熱震循環(huán)性能后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過電子束重熔處理，涂層中M相含量隨著電子束照射次數(shù)的增加而逐漸降低；原涂層表面孔隙較多，粗糙度較大，而電子束重熔處理后涂層表面的熱缺陷消失，重熔層更致密，且重熔層內(nèi)部形成了柱狀晶結(jié)構(gòu)和貫穿重熔層的網(wǎng)狀垂直裂紋，涂層表面粗糙度隨著電子束照射次數(shù)的增加而逐漸降低；250次熱循環(huán)后，原涂層發(fā)生整體剝落，涂層失效，而電子束重熔處理后涂層并未出現(xiàn)明顯的剝落，僅存在水平裂紋的擴展跡象，涂層的熱循環(huán)壽命得到明顯提高。

電子束重熔處理技術(shù)的最大優(yōu)點是可針對涂層的某一小區(qū)域進行處理，使得能量更集中，基材變形量更小，可用材料范圍也更廣；同時，電子束重熔后處理工藝是在真空中進行的，不會有污染物對工件表面產(chǎn)生影響。但由于其工作環(huán)境要求較高，不適合對深孔及大工件涂層進行的重熔后處理。

4 噴涂涂層的火焰重熔與氬弧重熔后處理

4.1 涂層的火焰重熔后處理

相對于其他重熔處理技術(shù)來說，火焰重熔后處理的操作簡單，成本較低，對涂層厚度要求不苛刻，適用于加工熔點較低的中小型工件[38]。Yang等[39]對等離子噴涂NiCrBSi-30%Mo涂層進行火焰重熔后處理，并測試了重熔處理后涂層的性能。結(jié)果表明：經(jīng)過火焰重熔處理，NiCrBSi-30%Mo涂層發(fā)生了表面改性，硬度、彈性模量和耐磨性均獲得提升；火焰重熔消除了涂層的跨晶裂紋和晶間裂紋。在干摩擦條件下，經(jīng)20 N磨損試驗，火焰重熔后的NiCrBSi-30%Mo涂層耐磨性優(yōu)于原涂層(圖9)。

(a) 原涂層 (b) 火焰重熔處理后涂層

Zhang等[40]采用超音速等離子噴涂在鑄鐵基體上制備了NiCrBSi/h-BN復合涂層，并采用氧乙炔火焰重熔技術(shù)對涂層進行了后處理。結(jié)果表明：經(jīng)重熔處理，NiCrBSi/h-BN復合涂層組織得到改善，涂層與基體結(jié)合良好，結(jié)合強度接近33 MPa；在干摩擦條件下的磨損試驗中，原涂層摩擦系數(shù)約為0.6，而火焰重熔處理后涂層的摩擦系數(shù)降低到了0.4以下，且磨損量小于原涂層。

4.2 涂層的氬弧重熔后處理

氬弧重熔是以鎢棒作為電極在氬氣保護下進行重熔的方法。在氬弧重熔過程中，焊槍噴出的氬氣屏蔽性很好，幾乎不引入雜質(zhì)，避免了涂層的氧化；氬氣具有極好的保護作用，使得重熔區(qū)的冶金反應較簡單、易于控制，因此通過氬弧重熔能獲得高質(zhì)量的重熔層；氬弧能在很小的電流下穩(wěn)定地發(fā)熱，因此氬弧重熔的熱輸入過程容易控制，特別適合對薄板和熱敏感材料表面涂層的后處理。此外，鎢極氬弧重熔處理的操作簡單，成本較低[41-42]。

Yuan等[41]采用等離子噴涂在AISI 1045鋼基體上制備了NiCr-Cr3C2涂層，通過鎢極氬弧重熔對涂層進行后處理，并測試了氬弧重熔處理前后的涂層硬度及耐磨性能。結(jié)果表明：鎢極氬弧重熔處理使NiCr-Cr3C2涂層的密度增大，孔隙率從8.1%降低到了0.2%，裂紋和夾雜物的數(shù)量大大減少；涂層的硬度也變得均勻，且從1 007 HV增加到1 141 HV，明顯增加了13.3%，斷裂韌性也增加了321.3%；在室溫下氬弧重熔后的涂層磨損量減少了59.5%，且從脆性斷裂和磨料磨損方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ夏p和膠黏劑磨損方式；700 ℃時的磨損量也減少了43.6%，磨損方式由氧化引起的脆性斷裂和疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p和黏著磨損。因此，鎢極氬弧重熔后處理可以有效改善等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層的顯微組織和機械性能。董天順等[42]對大氣等離子噴涂 Fe 基涂層及其氬弧重熔層的組織、力學性能進行了研究。結(jié)果表明：經(jīng)氬弧重熔處理，涂層的缺陷可基本消除，孔隙率從4.0%降到了0.4%，涂層由機械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合方式；重熔處理后與處理前相比，涂層的平均彈性模量與顯微硬度分別提高了53.2%與33.4%，且其表面粗糙度降低了43.2%。

5 噴涂涂層的其他后處理

除重熔技術(shù)外，還有其他一些化學、物理方法能用于涂層的后處理，也可提高涂層性能。對等離子噴涂涂層進行熱處理，也是一種提高涂層質(zhì)量的有效手段。它主要指退火處理，退火可以釋放涂層內(nèi)部的殘余應力，降低其孔隙率，改善涂層的性能。對于金屬涂層來說，熱處理后涂層會由片狀組織向等軸晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，等軸晶晶粒會突破片狀結(jié)構(gòu)的界面進行生長，而等軸晶結(jié)構(gòu)是有助于改善涂層性能的[43]。

Chen等[44]對等離子噴涂的CoMoCrSi涂層進行常壓下退火處理，并研究了其力學性能和摩擦學性能。結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，涂層的力學性能和耐磨性能會明顯提高，這是因為退火處理消除了涂層中的缺陷，使涂層變得更加均勻、致密。原涂層和不同溫度熱處理后涂層磨損軌跡的SEM圖像、三維形貌、相應的EDS能譜如圖10所示。

(a) 原涂層

熱處理雖然可以增強涂層的耐磨、耐腐蝕性能，但會在溫度提高時讓涂層內(nèi)部產(chǎn)生氧化物而導致某些涂層性能的降低，也會對基體產(chǎn)生不良影響。因此，應根據(jù)涂層的性能要求來選用不同的后處理方式。

熱等靜壓技術(shù)具有各向均衡受壓、氣氛可控的特點，可從很大程度上減少材料的不均勻變形。它在涂層后處理方面的應用主要是通過材料的擴散蠕變和塑性變形機制，增大涂層的致密度，具體而言，就是在一定壓力下加熱軟化涂層中的顆粒，使其在受到外部應力值大于自身屈服切應力作用時產(chǎn)生塑性變形，并向孔隙處移動，實現(xiàn)填充孔隙的目的[45-47]。

魏少紅等[48]采用等離子噴涂方式在鎢基體表面制備鉭涂層，并對其進行了熱等靜壓處理。結(jié)果表明，等離子噴涂鉭涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)熱等靜壓處理，涂層內(nèi)孔隙減小，致密度從91.2% 提高到 98.8%，結(jié)合強度由19.4 MPa 提高到22.5 MPa，硬度由517.8 HV 提高到了626.6 HV。

熱噴涂涂層存在的孔隙缺陷會導致涂層性能的降低，而解決熱噴涂涂層孔隙問題的主要途徑是采用封孔技術(shù)，即將封孔劑涂覆于熱噴涂涂層上并使其滲入涂層、填塞孔隙，從而實現(xiàn)對熱噴涂涂層的封孔處理[49]。宋占永等[50]采用SiO2溶膠和Al(H2PO4)3對等離子噴涂Fe基合金涂層進行封孔處理，并研究了處理后的涂層性能。結(jié)果表明，SiO2溶膠和Al(H2PO4)3均可在Fe基合金涂層表面形成一層封閉膜，并通過毛細作用以涂層孔隙為通道進入涂層內(nèi)部，從而顯著降低涂層的孔隙率，對涂層起到密封作用，改善涂層的致密性。封孔處理前后的等離子噴涂Fe基合金涂層形貌如圖11所示。

(a) 封孔處理前

陳健等[51]采用超聲沖擊技術(shù)對超聲速等離子噴涂的Cr3C2-NiCr涂層進行了后處理和研究，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過超聲沖擊處理，涂層孔隙率從2.34%降至1.83%，涂層硬度由8.9 GPa提升至9.6 GPa；在650 ℃下進行的熱震循環(huán)試驗中，未經(jīng)處理的涂層開裂時循環(huán)了7次，超聲沖擊處理后的涂層開裂時循環(huán)了11次，處理后涂層的熱震壽命大幅提高。

6 研究展望

等離子噴涂涂層重熔后處理工藝可有效提高涂層的各種性能，經(jīng)過后處理的涂層相比原涂層，耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性等都得到了提高，涂層本身的各種缺陷可得到不同程度的消除。不同的重熔后處理技術(shù)也存在不同的問題，如激光重熔后處理可能會導致涂層的開裂及剝落，感應重熔后處理可能會使某些涂層硬度降低，等等。這其中不僅有涂層本身的性質(zhì)因素，也有后處理工藝與環(huán)境因素的影響。

要進一步提高涂層性能，應綜合考慮各種因素，包括：①對涂層進行后處理時，應根據(jù)涂層本身性質(zhì)及涂層的使用環(huán)境等，有針對性地選用合適的后處理方式；②后處理工藝對涂層性能有很大影響，應對后處理工藝進行優(yōu)化，如調(diào)整激光重熔后處理的重熔層深度、加熱溫度和冷凝溫度，盡量減小處理過程的熱應力，又如優(yōu)化感應重熔后處理的變頻電流作用過程；③應系統(tǒng)地分析整個噴涂-后處理過程，不僅要優(yōu)化后處理工藝，而且應對等離子噴涂的工藝進行調(diào)整，同時對涂層材料進行更深入的探索；④建立涂層后處理壽命監(jiān)測系統(tǒng)并開展涂層失效預測的研究，以避免涂層在關鍵時刻失效所導致的損失。