火焰與電弧噴涂3Cr13涂層性能對比研究及應用

高名傳，劉 暢，陳永強，楊 甫，余斯亮，李 軍

(1. 武漢材料保護研究所有限公司，湖北 武漢 430030；2. 特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430030；3. 保定朝雄電氣化電力器材有限公司，河北 保定 071800；4. 中國鐵路成都局集團有限公司供電部，四川 成都 610081)

0 前 言

熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預處理的基體表面形成涂層的方法。根據(jù)熱源的不同，熱噴涂技術一般分為氧乙炔火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、超音速火焰噴涂、爆炸噴涂等。其中氧乙炔線材火焰噴涂與電弧噴涂以絲材作為噴涂材料，設備構造簡單、工藝操作方便，尤其適用于噴涂各類便于制備絲材的金屬材料[1-3]。

在可用于熱噴涂的金屬材料中，不銹鋼材料價格低廉，便于制備線材，且噴涂制備涂層簡單。其中Cr13型不銹鋼為典型的馬氏體不銹鋼，兼具硬度高、耐磨耐蝕性能好等優(yōu)點。研究表明，在熱噴涂Cr13型馬氏體不銹鋼涂層形成過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變體積增大的效應部分地補償了涂層的冷卻收縮，從而降低了涂層的收縮應力，有助于涂層的結(jié)合，因此是一種優(yōu)異的噴涂材料[4]。

目前，熱噴涂3Cr13涂層已得到研究及應用，王銀軍等[5]研究了噴砂處理與噴涂工藝參數(shù)對3Cr13涂層結(jié)合強度的影響，肖錦初[6]對比了等離子噴涂、電弧噴涂和氧 - 乙炔噴涂制備3Cr13涂層的性能，并使用超聲滾壓后處理進行了改性。熱噴涂3Cr13涂層在柴油機氣缸[7]、模具[8]、汽車曲軸[9]等零件表面均已獲得應用。然而，大部分的研究及應用為電弧噴涂，關于線材火焰噴涂卻少有研究。

電弧噴涂與線材火焰噴涂作為2種常用的工藝方法，其在涂層性能及施工要求等方面具有各自的優(yōu)點。為豐富3Cr13涂層的制備手段，本工作分別采用線材火焰噴涂與電弧噴涂2種工藝制備3Cr13涂層，通過噴涂粒子的在線監(jiān)測及涂層性能的表征，對比研究了2種方法制備的涂層特性，并對比了2種噴涂方式用于軸類零件修復的特征，為工業(yè)應用中工藝方法的選擇提供參考。

1 試驗材料與方法

試樣基材為Q235鋼，噴涂材料為3Cr13絲材，直徑φ2.0 mm。首先清洗試樣表面油污并進行噴砂處理，砂粒為24～30目棕剛玉，噴砂壓力0.5～0.6 MPa。隨后分別采用QX - 1型火焰噴涂設備制備火焰噴涂層(FSC：Flame Spray Coating)，工藝參數(shù)為：氧氣壓力0.5 MPa、乙炔壓力0.1 MPa、壓縮空氣壓力0.5 MPa。采用K600型電弧噴涂設備制備電弧噴涂層(ASC：Arc Spray Coating)，噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電壓37 V、電流200 A、壓縮空氣壓力0.5 MPa。2種類型涂層厚度都為300～350 μm。

噴涂過程中，采用德國GTV NIR - Sensor在線粒子監(jiān)測系統(tǒng)測試了噴涂距離為60～200 mm范圍內(nèi)噴涂粒子的飛行速度與表面溫度。噴涂完成后，采用三豐SJ - 210型粗糙度測試儀檢測涂層表面粗糙度。根據(jù)GB/T 8642-2002，采用E - 7膠粘結(jié)試樣，并在CMT5105型微機控制萬能力學試驗機上測試涂層抗拉結(jié)合強度。采用Leica X型光學顯微鏡觀察涂層截面微觀形貌。采用TMVS - 1型維氏硬度計檢測涂層截面顯微硬度，加載載荷0.98 N。采用CH01型電化學工作站對2種類型涂層進行電化學性能測試，測試面積1 cm2，電解質(zhì)溶液為3.5% NaCl溶液，參比電極為標準飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，采用三電極動電位掃描，掃描速度10 mV/s。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 噴涂粒子狀態(tài)

2種工藝方法的噴涂粒子速度隨噴涂距離的變化如圖1所示，從圖中可以看出，在噴涂距離為60～200 mm范圍內(nèi)，火焰噴涂粒子的速度為113.9～121.5 m/s，電弧噴涂粒子的速度為86.8～91.9 m/s。當噴涂距離相等時，火焰噴涂粒子飛行速度比電弧噴涂的約高25 m/s?；鹧媾c電弧噴涂粒子加速的推動力主要來源于壓縮空氣，但與電弧噴涂相比，火焰噴涂的氧 - 乙炔焰流還起到一定的加速作用，因此粒子的飛行速度相對更高。

噴涂粒子溫度隨噴涂距離的變化如圖2所示。由圖中可以看出，在噴涂距離為60～200 mm范圍內(nèi)，火焰噴涂粒子溫度為2 009.9～2 132.2 ℃，電弧噴涂粒子溫度為2 369.3～2 402.8 ℃。當噴涂距離相等時，電弧噴涂粒子溫度約比火焰噴涂的高350 ℃，與氧 - 乙炔焰流相比，電弧熱源的功率更高，可將噴涂粒子加熱到更高溫度。同時還可以發(fā)現(xiàn)，電弧噴涂粒子溫度的波動性較小，不同顆粒的加熱狀態(tài)一致性較好。而火焰噴涂粒子溫度波動幅度較大，在相同距離監(jiān)測的粒子溫度差異甚至超過了200 ℃，主要原因在于火焰噴涂燃燒形成的焰流功率偏低，導致部分顆粒在焰流中未得到充分加熱。

2.2 涂層形貌

2.2.1 表面形貌

觀察火焰噴涂與電弧噴涂3Cr13涂層的表面粗糙度測量結(jié)果如圖3所示，電弧噴涂層的粗糙度Ra10.1 μm、Rz56.2 μm，分別低于火焰噴涂的Ra11.7 μm、Rz62.1 μm，其原因也主要是電弧噴涂溫度更高，對于噴涂絲材的熔化更充分，噴涂粒子的顆粒更細，因此所沉積的涂層表面更光滑。由涂層的外觀也可以看出，電弧噴涂層比火焰噴涂層顏色更深， 其主要原因也在于電弧噴涂粒子溫度高，從而導致氧化程度更高。

2.2.2 微觀形貌

火焰噴涂與電弧噴涂3Cr13涂層截面金相形貌如圖4所示，從圖4a、4c中可以看出，2種涂層都呈現(xiàn)典型的層疊狀結(jié)構，且存在微觀孔隙與球形顆粒，采用圖像分析軟件ImageJ計算得出火焰噴涂層與電弧噴涂層的孔隙率分別為(10.5±3.8)%、(3.1±1.3)%。由4b、4d高倍形貌可以看出，火焰噴涂層中的球形顆粒最大直徑達到28.6 μm、疊層單層厚度最大為35.7 μm，都超過了電弧噴涂層的2倍； 且電弧噴涂層疊層之間存在更多的氧化物，其主要原因在于電弧噴涂溫度高，絲材熔化更充分， 經(jīng)壓縮空氣霧化形成的熔融或半熔融粒子直徑更小，提高了表面接觸面積，從而氧化程度更高，且粒子撞擊鋪展形成的疊層更薄。

2.3 涂層抗拉結(jié)合強度

2種涂層的抗拉結(jié)合強度如圖5所示，電弧噴涂層抗拉結(jié)合強度平均值為32.3 MPa，火焰噴涂層抗拉結(jié)合強度平均值為24.7 MPa。火焰及電弧噴涂層的主要結(jié)合機制為機械結(jié)合，而電弧噴涂粒子的熔化程度高，顆粒尺寸小，粒子撞擊表面鋪展更均勻，因此提高了疊層之間的結(jié)合面積，從而提高了結(jié)合強度。

2.4 涂層硬度

噴涂用3Cr13絲材及2種涂層的顯微硬度如圖6所示，火焰噴涂與電弧噴涂層的硬度分別為505.9，444.6 HV0.98 N，都高于原始3Cr13絲材的硬度289.4 HV0.98 N，表明噴涂顆粒在撞擊基材后的快速冷卻過程中實現(xiàn)了馬氏體轉(zhuǎn)變，從而提高了涂層硬度?；鹧鎳娡繉拥挠捕缺入娀娡繉痈?1.3 HV0.98 N，其原因可能是電弧噴涂粒子氧化程度高而導致脫碳，涂層在馬氏體轉(zhuǎn)變時由于貧碳而受到限制，從而導致硬度的降低。

2.5 電化學性能

2種涂層的Tafel曲線如圖7所示。從圖7可以看出，火焰噴涂層與電弧噴涂層的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度幾乎一致，且腐蝕電位均在-1.000～-0.616 V范圍內(nèi)時，2種涂層的腐蝕電流密度也相差不大。然而當腐蝕電位升高到-0.616～0 V范圍時，火焰噴涂層的腐蝕電流密度明顯低于電弧噴涂層，表明火焰噴涂層的腐蝕速率低于電弧噴涂層的。造成這種現(xiàn)象的原因可能是電弧噴涂粒子的劇烈氧化導致涂層中形成了較為疏松的氧化膜，并造成部分區(qū)域的貧鉻，而火焰噴涂層氧化程度輕，在腐蝕介質(zhì)中，火焰噴涂層表面緩慢形成的鈍化膜致密度更高，所以耐蝕性更好。

2.6 工業(yè)應用

為比較線材火焰噴涂與電弧噴涂在工業(yè)應用中的特點，分別采用2種工藝方法進行了軸類零件的修復，修復部位為軸承位，零件基材為中碳鋼。所采用的修復工藝流程為：

(1)機加工去除疲勞層。車削加工去除損傷部位表面的疲勞層，加工至大部分區(qū)域表面露出金屬底色為止，加工深度0.2～0.5 mm，允許局部區(qū)域有少量深度大于0.5 mm的凹坑；(2)局部修補。采用氬弧焊不銹鋼絲的方式填補局部較深的凹坑，并修整焊點表面；(3)噴砂預處理。對零件待修復部位進行噴砂處理，獲得粗糙、活化的表面；(4)熱噴涂制備涂層。采用線材火焰噴涂或電弧噴涂制備3Cr13涂層；(5)涂層后加工。對零件涂層表面進行磨削加工至圖紙要求尺寸。

2種工藝方法的對比如表1所示，在設備配套保障方面，2種工藝的實施除需配備電源及壓縮空氣外，線材火焰噴涂還需要使用燃氣及氧氣。電弧噴涂由于是采用2根噴涂絲材放電后形成電弧，電能大部分用于熔化噴涂絲材，其能量轉(zhuǎn)化效率比火焰噴涂高，且電弧噴涂雙絲送料比火焰噴涂的單絲送料涂層制備效率更高。但由于電弧加熱溫度高，噴涂材料燒損較火焰噴涂嚴重，因此材料的利用率比火焰噴涂低。從加工現(xiàn)場也可以看出，火焰噴涂焰流較為集中，工件上的反彈或濺射“火花”較粗，而電弧噴涂焰流發(fā)散角更大，噴涂“火花”比較細膩。

表1 線材火焰噴涂與電弧噴涂3Cr13涂層工藝對比

3 結(jié) 論

(1)火焰噴涂3Cr13粒子飛行速度為113.9～121.5 m/s，高于電弧噴涂粒子飛行速度86.8～91.9 m/s；火焰噴涂粒子溫度為2 009.9～2 132.2 ℃，低于電弧噴涂時的粒子溫度2 369.3～2 402.8 ℃。

(2)火焰噴涂3Cr13涂層孔隙率、顯微硬度、表面粗糙度均高于電弧噴涂層的，但抗拉結(jié)合強度低于電弧噴涂層的。

(3)火焰噴涂與電弧噴涂3Cr13涂層的自腐蝕電位與自腐蝕電流密度基本一致，當腐蝕電位在-0.616～0 V范圍內(nèi)時，火焰噴涂層耐蝕性優(yōu)于電弧噴涂層。

(4)在工業(yè)應用中，電弧噴涂3Cr13涂層能量轉(zhuǎn)化效率及涂層制備效率更高，但噴涂材料燒損嚴重，材料利用率比火焰噴涂低；線材火焰噴涂材料氧化輕微，但現(xiàn)場需提供燃氣及氧氣保障。