高名傳，劉 暢，陳永強(qiáng)，楊 甫，余斯亮，李 軍

(1. 武漢材料保護(hù)研究所有限公司，湖北 武漢 430030；2. 特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司供電部，四川 成都 610081)

0 前 言

熱噴涂技術(shù)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(yù)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(shù)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(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)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(jià)格低廉，便于制備線材，且噴涂制備涂層簡(jiǎn)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(diǎn)。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(yīng)部分地補(bǔ)償了涂層的冷卻收縮，從而降低了涂層的收縮應(yīng)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(yīng)用，王銀軍等[5]研究了噴砂處理與噴涂工藝參數(shù)對(duì)3Cr13涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響，肖錦初[6]對(duì)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(jìn)行了改性。熱噴涂3Cr13涂層在柴油機(jī)氣缸[7]、模具[8]、汽車曲軸[9]等零件表面均已獲得應(yīng)用。然而，大部分的研究及應(yīng)用為電弧噴涂，關(guān)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(diǎn)。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(cè)及涂層性能的表征，對(duì)比研究了2種方法制備的涂層特性，并對(duì)比了2種噴涂方式用于軸類零件修復(fù)的特征，為工業(yè)應(yīng)用中工藝方法的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)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(jìn)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(shè)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(shè)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(guó)GTV NIR - Sensor在線粒子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(cè)試儀檢測(cè)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(jī)控制萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度。采用Leica X型光學(xué)顯微鏡觀察涂層截面微觀形貌。采用TMVS - 1型維氏硬度計(jì)檢測(cè)涂層截面顯微硬度，加載載荷0.98 N。采用CH01型電化學(xué)工作站對(duì)2種類型涂層進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試面積1 cm2，電解質(zhì)溶液為3.5% NaCl溶液，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，采用三電極動(dòng)電位掃描，掃描速度10 mV/s。

2 試驗(yàn)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(dāng)噴涂距離相等時(shí)，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(dòng)力主要來(lái)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(duì)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(dāng)噴涂距離相等時(shí)，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(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，電弧噴涂粒子溫度的波動(dòng)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(dòng)幅度較大，在相同距離監(jiān)測(cè)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(dǎo)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(cè)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(duì)于噴涂絲材的熔化更充分，噴涂粒子的顆粒更細(xì)，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(dǎo)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(gòu)，且存在微觀孔隙與球形顆粒，采用圖像分析軟件ImageJ計(jì)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(dá)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(qiáng)度

2種涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度如圖5所示，電弧噴涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度平均值為32.3 MPa，火焰噴涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度平均值為24.7 MPa?；鹧婕半娀娡繉拥闹饕Y(jié)合機(jī)制為機(jī)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(qiáng)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(shí)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(dǎo)致脫碳，涂層在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)由于貧碳而受到限制，從而導(dǎo)致硬度的降低。

2.5 電化學(xué)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(shí)，2種涂層的腐蝕電流密度也相差不大。然而當(dāng)腐蝕電位升高到-0.616～0 V范圍時(shí)，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(dǎo)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(yīng)用

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

(1)機(jī)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(bǔ)。采用氬弧焊不銹鋼絲的方式填補(bǔ)局部較深的凹坑，并修整焊點(diǎn)表面；(3)噴砂預(yù)處理。對(duì)零件待修復(fù)部位進(jìn)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(duì)零件涂層表面進(jìn)行磨削加工至圖紙要求尺寸。

2種工藝方法的對(duì)比如表1所示，在設(shè)備配套保障方面，2種工藝的實(shí)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?xì)饧把鯕?。電弧噴涂由于是采?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(yán)重，因此材料的利用率比火焰噴涂低。從加工現(xiàn)場(chǎng)也可以看出，火焰噴涂焰流較為集中，工件上的反彈或?yàn)R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(xì)膩。

表1 線材火焰噴涂與電弧噴涂3Cr13涂層工藝對(duì)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(shí)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(qiáng)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(dāng)腐蝕電位在-0.616～0 V范圍內(nèi)時(shí)，火焰噴涂層耐蝕性優(yōu)于電弧噴涂層。

(4)在工業(yè)應(yīng)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(yán)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(chǎng)需提供燃?xì)饧把鯕獗Ｕ稀?/p>