王吉孝 王黎 馬李 莫才頌

摘要：為提高艦載機偏流板表面涂層的結合強度并延長其使用壽命，利用雙絲電弧噴涂技術在6061-T6鋁合金表面制備四種Ni-Al復合涂層，研究了四種不同復合涂層與基體的結合強度性能。同時觀察涂層斷口形貌和截面形貌，并分析其失效原因。試驗結果表明，以Ni-5wt.%Al為打底層，以Ni-20wt.%Al作為面層的Ni-Al復合涂層結合強度較高，該復合涂層結合強度滿足性能指標要求。

關鍵詞：6061-T6鋁合金;電弧噴涂;復合涂層;結合強度

中圖分類號：TG174.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0014-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.03

0 前言

艦載機偏流板所用材料是6061-T6鋁合金板，高4.2 m，寬10.8 m，板中有可通冷卻水的空心通道，采用液壓系統(tǒng)使其具有相當程度的水冷能力。在鋁合金偏流板上覆蓋有金屬涂層，具有潮濕環(huán)境中防滑、耐腐蝕的特點[1-3]。要求偏流板涂層在艦載機反復起落情況下具有高的抗沖擊性能，以保證飛機在惡劣海洋狀況下的安全運行。為延長使用壽命，涂層與基體應具有較高的結合強度。目前，樹脂基涂層雖然在美國海軍艦載飛機上獲得了應用，但是該類涂層較金屬涂層存在很多的缺點：結合強度低，最多達到8 MPa，而金屬基涂層結合強度是樹脂基涂層的4～8倍;樹脂基涂層易老化降解，在高溫和施工時揮發(fā)有毒氣體，金屬基涂層則不存在這一缺點[4]。對于金屬基涂層而言，其結合強度決定了涂層的抗沖擊性能，如果涂層結合強度偏低，涂層脫落導致的后果非常嚴重。雙絲電弧噴涂是材料表面強化的重要技術之一，通過改變噴涂工藝參數(shù)可以提高涂層與基體的結合強度[5]。基于此，文中采用雙絲電弧噴涂技術在6061-T6鋁合金上制備Ni-Al復合涂層，并研究其結合強度性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及試驗儀器

試驗用基體材料為6061-T6鋁合金。噴涂絲材為美國PRAXAIR公司生產(chǎn)的Ni-5wt.%Al合金絲和Ni-20wt.%Al復合絲及國產(chǎn)純Zn絲，直徑均為1.6 mm。

噴涂設備采用PRAXAIR公司生產(chǎn)的9935型雙絲電弧噴涂系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機型號為GA30FF，噴砂設備型號為6090A，射吸式。萬能電子拉伸試驗機型號為WDW-S100。利用蔡司光學顯微鏡觀察斷面形貌和截面形貌，確定斷裂發(fā)生位置。

1.2 Ni-Al復合涂層制備

采用雙絲電弧噴涂方法制備四種復合涂層，分別為：A涂層——打底層Ni-5wt.%Al，面層Ni-5wt.%Al;B涂層——打底層Ni-5wt.%Al，面層Ni-20wt.%Al;C涂層——打底層Ni-5wt.%Al，中間層Zn涂層，面層Ni-5wt.%Al;D涂層——打底層Ni-5wt.%Al，中間層Zn涂層，面層Ni-20wt.%Al。研究四種復合涂層的結合強度，其工藝參數(shù)如表1所示。

1.3 測試方法

試樣尺寸為φ25.4 mm×6 mm，每組試樣數(shù)量均為5個。涂層厚度大于等于0.38 mm。所使用的粘結劑是國內(nèi)某研究所生產(chǎn)的E-7高溫結構膠，抗拉強度可達70 MPa。將試樣和用于測試粘結劑強度的空白試樣分別安裝于萬能電子拉伸試驗機上。以0.013～0.021 mm/s的拉伸速率進行拉伸，記錄斷裂前的最大試驗拉伸力。涂層的結合強度等于最大試驗力與試樣截面積的比值。在金相顯微鏡下觀察斷面，確定斷裂發(fā)生的位置。拉伸試驗參考標準為ASTM-C-633-01，合格標準為甲板或偏流板涂層結合強度≥45 MPa。

2 結果與討論

2.1 涂層結合強度測量結果

四種涂層結合強度對比如圖1所示。經(jīng)計算可知，B涂層的結合強度最高，平均結合強度為53.86 MPa，然后依次是A（38.26 MPa）、C（27.11 MPa）和D（17.90 MPa）。對于C和D涂層，Zn層的存在導致整體強度降低，所有斷裂位置均在涂層內(nèi)部，測量結果均為有效，可見B涂層能夠滿足性能指標要求。

B涂層由于面層是Ni-20wt.%Al，可提高表層的摩擦系數(shù)，有利于提高涂層的防滑能力。C涂層和D涂層中間層加入Zn是設計涂層時為提高其耐腐蝕能力而采取的三明治結構。但從測量結果可以看出，它們的結合強度遠低于性能指標要求，即使通過優(yōu)化工藝參數(shù)，其結合強度與指標要求仍相差甚遠。

2.2 涂層斷口形貌

四種涂層拉伸斷口形貌如圖2所示。A和B涂層結合強度較高，斷裂位置發(fā)生在涂層與基體之間，C和D涂層結合強度較低，斷裂位置發(fā)生在Zn涂層內(nèi)部，涂層有翹起現(xiàn)象。

影響涂層結合強度大小的主要因素包括噴涂材料種類、噴涂距離、噴槍移動速度、噴涂粒子速度和涂層厚度等。隨著噴涂粒子速度增加，粒子扁平度增加，進而增大粒子與基體、粒子與粒子之間的結合面積，從而提高結合強度。B涂層的結合強度較高，這主要歸因于噴涂時Ni-5wt.%Al合金絲具有自熔合特點，使得涂層與基體發(fā)生微冶金結合[6-7]。

2.3 涂層截面形貌

四種涂層截面形貌如圖3所示，涂層均具有層疊狀特征，這是噴涂粒子的扁平化變形所致。雙絲電弧噴涂涂層組織屬于快速凝固組織，主要體現(xiàn)在涂層的致密度上，涂層由大量扁平粒子堆疊而成，扁平粒子在相互作用過程中，往往不能完全重疊在一起，尤其是一些速度較低的熔滴粒子，由于不充分變形，部分易產(chǎn)生重疊而形成孔隙。這些都是影響涂層結合強度的原因[8]。

3 結論

（1）四種涂層拉伸試驗結果顯示，打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-20wt.%Al的涂層結合強度最高;打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-5wt.%Al的涂層結合強度次之;打底層為Ni-5wt.%Al、中間層為Zn涂層、面層為Ni-5wt.%Al的涂層和打底層為Ni-5wt.%Al、中間層為Zn涂層、面層為Ni-20wt.%Al的涂層結合強度最低。綜合比較，打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-20wt.%Al的涂層滿足技術指標要求。

（2）中間層含有Zn的涂層，即使通過優(yōu)化工藝參數(shù)，其結合強度與指標要求仍相差甚遠。打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-20wt.%Al的涂層又優(yōu)于打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-5wt.%Al的涂層，可作為制備偏流板表面涂層的首選涂層材料。

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