畢學(xué)松 馬瑞芳 朱 亮

(1.唐山開元焊接自動化技術(shù)研究所有限公司,河北 唐山 063020; 2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730050)

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絲電爆噴涂過程工藝參數(shù)對涂層性質(zhì)的影響

畢學(xué)松1馬瑞芳1朱 亮2

(1.唐山開元焊接自動化技術(shù)研究所有限公司,河北 唐山 063020; 2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730050)

采用氣體放電式絲電爆裝置進(jìn)行絲電爆噴涂試驗(yàn)，利用掃描電鏡分析涂層性質(zhì)特點(diǎn)，認(rèn)識噴涂距離和能量密度對涂層性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在不同工藝參數(shù)下，可獲得四類性質(zhì)的涂層，其中液相噴涂層和氣相沉積涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高；沉積在金屬絲上能量密度和噴涂距離直接影響涂層性質(zhì)。

絲電爆 噴涂距離 能量密度 電爆產(chǎn)物

0 序 言

絲電爆噴涂是以高密度脈沖電流(1×104～1×106A/mm2)快速流過金屬絲，使絲導(dǎo)體瞬間熔化、汽化、膨脹并發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的沖擊波力學(xué)效應(yīng)，使爆炸產(chǎn)物高速噴射到基體表面形成涂層的方法[1-4]。與大部分熱噴涂技術(shù)相比，絲電爆噴涂技術(shù)很多方面都具有獨(dú)特優(yōu)勢，近年來受到了廣泛關(guān)注。絲電爆噴涂適用材料廣，幾乎所有金屬絲材料都能用于表面噴涂，尤其適于高熔點(diǎn)材料的噴涂，并且噴涂過程對基體材料的熱影響很小，可獲得與基體結(jié)合強(qiáng)度高、表面光滑的涂層[5-7]；不僅能在金屬表面，而且能在玻璃、陶瓷、塑料的表面上進(jìn)行噴涂，不僅能噴涂平面，還適合于管狀工件內(nèi)表面的噴涂[8-9]。

目前，很多研究都發(fā)現(xiàn)，絲電爆噴涂過程中，初始電壓、電容、金屬絲的直徑、長度等工藝參數(shù)對爆炸產(chǎn)物及涂層性質(zhì)均有不同程度的影響[10-12]，但是對于涂層形成機(jī)理都沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。從本質(zhì)上講，不同的工藝參數(shù)反映初始能量，而沉積在絲導(dǎo)體上的能量密度直接影響金屬絲爆炸后產(chǎn)物形態(tài)，最終影響涂層性能。另外研究還發(fā)現(xiàn)，噴涂距離(噴涂材料與基體之間的距離)也是影響絲電爆噴涂過程的一個重要因素，但在不同的試驗(yàn)過程中，最佳的噴涂距離也存在較大差別[8,10-11]，噴涂距離對絲電爆過程影響還需要深入研究。

文中在氣體放電式絲電爆設(shè)備上改變沉積在金屬絲上的能量密度和噴涂距離進(jìn)行系列試驗(yàn)，認(rèn)識絲電爆噴涂形成的涂層性質(zhì)，以及能量密度和噴涂距離對涂層性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方法

圖1為氣體放電式絲電爆試驗(yàn)裝置示意圖，主要包括儲能電容C、高壓開關(guān)S、電極、金屬絲等部分。與兩電極相連的C可以通過高壓發(fā)生器H.V.直接充電，金屬絲布置在兩電極之間。當(dāng)閉合S后，大電流瞬間通過金屬絲使其熔化、汽化、膨脹并發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)物在爆炸沖擊波作用下高速噴射到基體表面形成涂層。試驗(yàn)中初始充電電壓范圍4 ～10 kV，儲能電容C為8.8 μF。

圖1 試驗(yàn)方法示意圖

試驗(yàn)中金屬絲采用直徑為0.2 mm和0.3 mm、長度70 mm的銅絲，噴涂基體為石英棒。金屬絲以石英棒之間的距離D為噴涂距離，如果D太大，爆炸產(chǎn)物到達(dá)基體時不能形成有效涂層，根據(jù)試驗(yàn)效果最終確定D的范圍為1～20 mm。試驗(yàn)獲得的涂層通過掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析。

試驗(yàn)過程中采用羅氏線圈和高壓分壓器測量電壓和電流，并用示波器記錄波形。圖2為絲電爆過程中典型的電壓和電流波形(初始充電電壓7 kV，金屬絲直徑為0.2 mm)。沉積在金屬絲上的能量可以通過式(1)進(jìn)行估算：

E=∫0tbrU(t)·I(t)dt

(1)

其中,U(t)和I(t)分別流過金屬絲的電壓和電流;tbr為金屬絲開始爆炸的時刻。已有研究一般認(rèn)為絲電爆過程分為五個階段：固態(tài)加熱、熔化、液態(tài)加熱、氣態(tài)加熱和氣體擊穿階段。氣體擊穿時即為爆炸開始的時刻，此時由于導(dǎo)體的電阻迅速增大，導(dǎo)致電流會迅速減小，電壓迅速增大，如圖2中tbr所示的時刻[11]。

圖2 典型電壓電流波形

利用以上計(jì)算的爆炸前沉積在金屬絲上的能量E和金屬絲的質(zhì)量m，利用式(2)計(jì)算能量密度：

ω=E/m

(2)

進(jìn)行系列絲電爆噴涂試驗(yàn)，計(jì)算沉積在金屬絲上的能量密度，并利用掃描電鏡分析相應(yīng)涂層性質(zhì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 涂層性質(zhì)分析

從宏觀上觀察不同工藝參數(shù)下獲得的涂層，并進(jìn)一步利用掃描電鏡(SEM)觀察涂層的微觀表面形態(tài)。歸納后大致可以獲得四類性質(zhì)的涂層。

(1)初始電壓6 kV，噴涂距離3 mm，采用直徑為0.3 mm的銅絲進(jìn)行絲電爆噴涂試驗(yàn)，宏觀觀察獲得的涂層，其表面比較粗糙，呈銅色，結(jié)合強(qiáng)度較強(qiáng)。掃描電鏡下涂層微觀形貌具有明顯的液態(tài)熔融粒子濺射狀圖案，典型照片如圖3a所示。此時沉積在金屬絲上的能量密度較小，約為4.6×103J/g，金屬絲爆炸后主要形成熔融態(tài)金屬，由于噴涂距離也較小，熔融態(tài)金屬還沒有凝固就直接噴濺到基體上，形成了“液相噴涂層”。

(2)初始電壓6 kV，噴涂距離8 mm，采用直徑為0.3 mm的銅絲進(jìn)行絲電爆噴涂試驗(yàn)，宏觀觀察獲得的涂層，其表面均勻，呈黑色，但結(jié)合強(qiáng)度較小。掃描電鏡下觀察其微觀形貌，涂層由大量的細(xì)碎顆粒組成，顆粒與基體疏松結(jié)合在一起，沒有液態(tài)金屬濺射狀圖案，如圖3b所示。由于噴涂距離較大，爆炸過程中形成的熔融態(tài)金屬到達(dá)基體時已經(jīng)冷卻成為固態(tài)，固體顆粒直接堆積在基體表面形成了這種固態(tài)堆積涂層，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低。

(3)初始電壓8 kV，噴涂距離3 mm，采用直徑為0.2 mm的銅絲進(jìn)行絲電爆噴涂試驗(yàn)，可以得到表面光滑，與基體結(jié)合強(qiáng)度高的涂層。掃描電鏡下觀察涂層微觀形態(tài)，典型照片如圖3c所示?？梢钥闯觯繉颖砻嬷旅芷秸?，形態(tài)上屬于氣相噴涂材料在基體表面直接沉積形成的。此時沉積在金屬絲上的能量密度較大，約為1.28×104J/g，絲電爆后主要形成金屬蒸汽，由于噴涂距離較小，處于高溫的金屬蒸汽直接沉積在基體上，形成與基體結(jié)合強(qiáng)度很高的氣相沉積涂層。

(4)初始電壓8 kV，噴涂距離10 mm，采用直徑為0.2 mm的銅絲進(jìn)行絲電爆噴涂試驗(yàn)，可以得到表面光滑，顏色呈黑色，與基體結(jié)合強(qiáng)度較低涂層。掃描電鏡下觀察涂層微觀形態(tài)，典型照片如圖3d所示。可以看出，在基體表面堆積著近似球形的顆粒，還有微小顆粒的團(tuán)聚體，形成這種涂層的過程與電爆制粉很相似[13]，由于噴涂距離較大，電爆形成的氣相金屬材料在膨脹的過程中已經(jīng)形成微小的固態(tài)顆粒, 然后吸附堆積在基體表面，形成了氣相堆積涂層。

圖3 典型涂層微觀照片

2.2 噴涂距離和能量密度對涂層性質(zhì)影響

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，四種涂層中液相噴涂層和氣相沉積涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，而沉積在金屬絲上的能量密度及噴涂距離是影響涂層性質(zhì)的主要工藝參數(shù)。通過改變初始試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，分析沉積能量密度及噴涂距離對涂層性質(zhì)的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 涂層性質(zhì)與能量密度及噴涂距離的關(guān)系

通過上述結(jié)果可以看出，沉積在金屬絲上的能量密度小于4.6×103J/g時，絲電爆產(chǎn)物主要是熔融態(tài)金屬，能夠形成“液相噴涂層”的噴涂距離小于4 mm；沉積在金屬絲上能量密度在4.6×103～1.28×103J/g時，爆炸產(chǎn)物為金屬蒸汽和熔融粒子的混合物，能夠形成氣相沉積涂層的噴涂距離約為5 mm以下；當(dāng)能量密度大于1.28×103J/g時，絲電爆產(chǎn)物主要以金屬蒸汽為主，能夠形成氣相沉積涂層的噴涂距離約為8 mm以下，并且能量密度越大，對應(yīng)的噴涂距離也越大。

3 結(jié) 論

(1)絲電爆噴涂過程中，可獲得四類性質(zhì)的涂層，分別為液相噴涂層、固態(tài)堆積涂層、氣相沉積涂層和氣相堆積涂層。其中液相噴涂層和氣相沉積涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)沉積在金屬絲上的能量密度和噴涂距離直接影響涂層性質(zhì)。能量密度越大，絲電爆產(chǎn)物中金屬蒸汽越多，噴涂距離在爆炸產(chǎn)物未凝固的膨脹距離內(nèi)時，可得到液相噴涂層或氣相噴涂層。

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2016-12-05

TG401

畢學(xué)松，1983年出生，博士，工程師。主要從事高能束焊接技術(shù)等高效高質(zhì)焊接新技術(shù)研發(fā)工作，已發(fā)表論文10余篇。