| 高速電弧噴涂技術是近年來發展起來的新型熱噴涂技術，該技術具有優質、高效、低成本等特點。 |
【中國幕墻網】高速電弧噴涂技術是近年來發展起來的新型熱噴涂技術，該技術具有優質、高效、低成本等特點。本文實驗研究了高速電弧噴涂鎳鋁打底涂層的組織結構和力學性能，涂層的界面結合強度大于 40 MPa，顯微硬度平均值為 210HV，表面粗糙度表征參數 Ra 值為 13．11 m，涂層孔隙率為 2．26 %，涂層主要由鎳鋁合金和鎳、鋁氧化物組成。高速電弧噴涂鎳鋁涂層結合強度高，涂層組織致密，是優良的打底涂層。
關鍵詞： 高速電弧噴涂 鎳鋁涂層 打底層
高速電弧噴涂技術是近年來發展起來的新型電弧噴涂技術[1]，它是以電弧為熱源，以特殊的噴槍將熔化了的金屬絲材用氣流霧化，高速噴射到工件表面形成涂層的一種新型熱噴涂工藝。它以優質、高效、低成本等特點受到廣泛關注。
采用電弧噴涂技術對一些涂層結合強度要求高的零部件進行修復時，往往需要先噴涂打底層。打底層的研究也是電弧噴涂層推廣應用的重要基礎。在電弧噴涂的打底層材料中，鋁青銅絲材因具有自結合性被長期應用，但是噴涂時，它的粉塵和煙霧會嚴重刺激人的呼吸道，引發高燒等癥狀。近年來，采用了鎳鋁合金絲材作為鋁青銅的替代絲材，不但使勞動條件改善，而且作為打底層的涂層質量進一步提高。
1 實驗材料與方法
1．1 實驗材料
高速電弧噴涂Φ3mm 鎳鋁合金（Ni－Al）實芯絲材。
1．2 涂層界面結合強度測定
參照GB 9796 –88對偶件拉伸試驗法進行實驗。方法如下：在經噴砂預處理的圓柱棒端面噴涂涂層，對偶件噴砂處理。而后用 TG205 高強度膠進行對心粘接，待完全固化后在 CSS–1110電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗。加載速度1mm/min。試驗結果依據公式 σ＝F/S（σ為涂層的結合強度，F 為拉伸力，S 為接觸面積）計算得出。為減少誤差，采用 4 個數據取平均值的方法。試樣制備時采用 24 目棕剛玉噴砂處理，噴砂角度 80o，噴涂層厚度在 0．5 mm 左右。
1．3 涂層硬度測定
從噴涂層試樣上切割10 mm×10 mm×5 mm的小塊制備涂層截面金相試樣，為便于測量，涂層厚度控制在 0．5 mm 左右。用пмт－ 3 型顯微硬度儀測量涂層的顯微硬度。測量時選用載荷200 g，加載時間 15 s，選取涂層中間部位 10 個點測量取平均值。
1．4 涂層孔隙率測定
涂層的孔隙率測定采用灰度法在 LEICAQ500MC 型圖象分析儀上按國標GB3365－82 進行，隨機取 10 個視場，測定其孔隙率，以平均值作為涂層的孔隙率。
1．5 涂層表面粗糙度與截面組織結構分析
涂層表面粗糙度在 Talysurf 5－120 型處理器上測量，截面結構組織分析在 CSM－950 掃描電鏡上進行，微區成分分析在 PV 9000 能譜儀上進行。
2 結果與分析
2．1 結合強度
結合強度是作為打底層的關鍵性能指標，高速電弧噴涂鎳鋁涂層的平均結合強度為 45 MPa，最高值達到了 51 MPa。從圖 1 可以看出， 涂層與基體的結合良好，粒子變形充分呈扁平 狀，涂層均勻致密，層狀結構明顯。在高速電弧 噴涂過程中，粒子為熔融的鎳鋁合金液滴，根據 Ni－Al 二元合金狀態圖，此時會從鎳鋁固溶體中析出鋁。噴涂時，鋁和鎳會與空氣中的氧氣發生氧化反應放出大量的熱量，使熔融的鎳鋁合金粒子的溫度進一步升高，高溫高速粒子撞擊表面后，會形成局部的微冶金結合。這是涂層與基體界面結合強度提高的主要原因。
2．2 顯微硬度
圖 2 （略）為鎳鋁涂層的顯微硬度分布，鎳鋁涂層的平均硬度值為 210 HV0．2，并且涂層的硬度值由涂層外緣到基體呈現處逐漸增大的趨勢。這主要是因為高速電弧噴涂的粒子速度提高，靠近界面處熔融的粒子先堆積形成的涂層，由于受到后續不斷的粒子的沖擊作用，使涂層呈現出內致密、外疏松的特點。涂層顯微硬度曲線的變化特征恰恰反映了涂層的這一梯度變化特點。同時，作為打底層，較低的涂層硬度還會減少后續噴涂的工作層的內應力。
2．3 表面粗糙度
一般采用中線值輪廓算術偏差 Ra 來評定表面粗糙度，如圖 3 （略）所示為鎳鋁涂層的表面粗糙度曲線，其表征參量 Ra值為 13．11 m。涂層具有一定的表面粗糙度有利于工作層在打底層表面牢固的附著形成機械嵌合，可以提高工作層和打底層之間的涂層內聚結合強度。
2．4 涂層組織分析
圖 4（略） 為鎳鋁高速電弧噴涂層的 SEM 照片，從照片中可以看出涂層為典型的多相交錯的層狀組織結構，部分區域存在小于 10 m 的球狀組織，是粒子碰撞時飛濺形成的。通過測試涂層的孔隙率為 2．26 %。圖 5 （略）為局部放大后的 SEM 照片，從照片中可以看出黑白兩相的交錯成分，對兩相進行能譜元素分析結果如圖6（略）和表1（略）所示。涂層中黑灰色相主要為氧化物，白色相主要為原合金絲材成分，涂層中氧化物含量較少。
3 結 論
綜上所述，高速電弧噴涂鎳鋁涂層具有40 MPa以上的界面結合強度，涂層表面具有一定粗糙度，涂層顯微硬度、孔隙率和氧化物含量低，組織致密，主要由鎳鋁合金和鎳、鋁氧化物組成。高速電弧噴涂鎳鋁噴涂層是性能優異的打底層。
關鍵詞： 高速電弧噴涂 鎳鋁涂層 打底層
高速電弧噴涂技術是近年來發展起來的新型電弧噴涂技術[1]，它是以電弧為熱源，以特殊的噴槍將熔化了的金屬絲材用氣流霧化，高速噴射到工件表面形成涂層的一種新型熱噴涂工藝。它以優質、高效、低成本等特點受到廣泛關注。
采用電弧噴涂技術對一些涂層結合強度要求高的零部件進行修復時，往往需要先噴涂打底層。打底層的研究也是電弧噴涂層推廣應用的重要基礎。在電弧噴涂的打底層材料中，鋁青銅絲材因具有自結合性被長期應用，但是噴涂時，它的粉塵和煙霧會嚴重刺激人的呼吸道，引發高燒等癥狀。近年來，采用了鎳鋁合金絲材作為鋁青銅的替代絲材，不但使勞動條件改善，而且作為打底層的涂層質量進一步提高。
1 實驗材料與方法
1．1 實驗材料
高速電弧噴涂Φ3mm 鎳鋁合金（Ni－Al）實芯絲材。
1．2 涂層界面結合強度測定
參照GB 9796 –88對偶件拉伸試驗法進行實驗。方法如下：在經噴砂預處理的圓柱棒端面噴涂涂層，對偶件噴砂處理。而后用 TG205 高強度膠進行對心粘接，待完全固化后在 CSS–1110電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗。加載速度1mm/min。試驗結果依據公式 σ＝F/S（σ為涂層的結合強度，F 為拉伸力，S 為接觸面積）計算得出。為減少誤差，采用 4 個數據取平均值的方法。試樣制備時采用 24 目棕剛玉噴砂處理，噴砂角度 80o，噴涂層厚度在 0．5 mm 左右。
1．3 涂層硬度測定
從噴涂層試樣上切割10 mm×10 mm×5 mm的小塊制備涂層截面金相試樣，為便于測量，涂層厚度控制在 0．5 mm 左右。用пмт－ 3 型顯微硬度儀測量涂層的顯微硬度。測量時選用載荷200 g，加載時間 15 s，選取涂層中間部位 10 個點測量取平均值。
1．4 涂層孔隙率測定
涂層的孔隙率測定采用灰度法在 LEICAQ500MC 型圖象分析儀上按國標GB3365－82 進行，隨機取 10 個視場，測定其孔隙率，以平均值作為涂層的孔隙率。
1．5 涂層表面粗糙度與截面組織結構分析
涂層表面粗糙度在 Talysurf 5－120 型處理器上測量，截面結構組織分析在 CSM－950 掃描電鏡上進行，微區成分分析在 PV 9000 能譜儀上進行。
2 結果與分析
2．1 結合強度
結合強度是作為打底層的關鍵性能指標，高速電弧噴涂鎳鋁涂層的平均結合強度為 45 MPa，最高值達到了 51 MPa。從圖 1 可以看出， 涂層與基體的結合良好，粒子變形充分呈扁平 狀，涂層均勻致密，層狀結構明顯。在高速電弧 噴涂過程中，粒子為熔融的鎳鋁合金液滴，根據 Ni－Al 二元合金狀態圖，此時會從鎳鋁固溶體中析出鋁。噴涂時，鋁和鎳會與空氣中的氧氣發生氧化反應放出大量的熱量，使熔融的鎳鋁合金粒子的溫度進一步升高，高溫高速粒子撞擊表面后，會形成局部的微冶金結合。這是涂層與基體界面結合強度提高的主要原因。
2．2 顯微硬度
圖 2 （略）為鎳鋁涂層的顯微硬度分布，鎳鋁涂層的平均硬度值為 210 HV0．2，并且涂層的硬度值由涂層外緣到基體呈現處逐漸增大的趨勢。這主要是因為高速電弧噴涂的粒子速度提高，靠近界面處熔融的粒子先堆積形成的涂層，由于受到后續不斷的粒子的沖擊作用，使涂層呈現出內致密、外疏松的特點。涂層顯微硬度曲線的變化特征恰恰反映了涂層的這一梯度變化特點。同時，作為打底層，較低的涂層硬度還會減少后續噴涂的工作層的內應力。
2．3 表面粗糙度
一般采用中線值輪廓算術偏差 Ra 來評定表面粗糙度，如圖 3 （略）所示為鎳鋁涂層的表面粗糙度曲線，其表征參量 Ra值為 13．11 m。涂層具有一定的表面粗糙度有利于工作層在打底層表面牢固的附著形成機械嵌合，可以提高工作層和打底層之間的涂層內聚結合強度。
2．4 涂層組織分析
圖 4（略） 為鎳鋁高速電弧噴涂層的 SEM 照片，從照片中可以看出涂層為典型的多相交錯的層狀組織結構，部分區域存在小于 10 m 的球狀組織，是粒子碰撞時飛濺形成的。通過測試涂層的孔隙率為 2．26 %。圖 5 （略）為局部放大后的 SEM 照片，從照片中可以看出黑白兩相的交錯成分，對兩相進行能譜元素分析結果如圖6（略）和表1（略）所示。涂層中黑灰色相主要為氧化物，白色相主要為原合金絲材成分，涂層中氧化物含量較少。
3 結 論
綜上所述，高速電弧噴涂鎳鋁涂層具有40 MPa以上的界面結合強度，涂層表面具有一定粗糙度，涂層顯微硬度、孔隙率和氧化物含量低，組織致密，主要由鎳鋁合金和鎳、鋁氧化物組成。高速電弧噴涂鎳鋁噴涂層是性能優異的打底層。
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