于久灝，張 穎，王佳杰

（1.黑龍江工程學院 材料與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱電機廠，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著熱噴涂技術的發(fā)展，相應的應用領域也不斷延伸，對涂層性能的要求也越來越高。電弧噴涂技術作為熱噴涂技術的一個分支，由于存在涂層結(jié)合強度較低與孔隙率較高的缺點，難以適用于高性能的涂層要求。超音速電弧噴涂是電弧噴涂技術新的發(fā)展方向，在制備防腐蝕涂層、耐磨損涂層、抗氧化涂層、裝飾性涂層等方面具有獨特的優(yōu)越性。

鋁青銅是一種常用的減摩材料，是大型軸承套圈的主要材料，傳統(tǒng)方法采用焊接進行聯(lián)接，由于加熱溫度高，具有基體變形大、原材料損耗大、生產(chǎn)效率低等缺點，采用超音速電弧噴涂技術制備鋁青銅涂層具有重大的實用意義。

1 超音速火焰噴涂工藝確定

本試驗所使用的涂層材料為QAl9－2鋁青銅合金，其抗海水腐蝕性能及耐磨性都較好，不含稀貴元素，成本比錫青銅低，可用作船用零件、化工機械中的高壓閥門，也可用作承受中等載荷的耐磨件。試驗基體材料為Q235鋼，試板尺寸為120mm×70mm×10mm，棒材φ15mm×65mm。QAl9－2合金絲材為φ3.0mm的實芯絲材。

通過正交試驗，并評價涂層的結(jié)合強度，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)為：噴涂電壓36V，噴涂電流強度210A，壓縮空氣壓力0.8MPa，噴槍至工件距離100mm。

2 超音速火焰噴涂涂層性能試驗

2.1 涂層硬度試驗

試驗采用KVS－100型顯微硬度計進行測量。先將樣品鑲樣，然后表面拋光，腐蝕后，在0.98N載荷下，加載時間為10s，測量涂層表面顯微硬度5個數(shù)據(jù)，截面顯微硬度5個數(shù)據(jù)。

2.2 涂層結(jié)合強度測試

采用的粘結(jié)劑對偶試樣拉伸定量試驗法測定涂層結(jié)合強度，如圖1所示。

圖1 噴涂層結(jié)合強度的拉伸試樣試驗

對圓柱體形狀A（材料為Q235鋼）的端面進行噴砂處理，涂層的厚度約為2mm。同時在同等材料和尺寸的圓柱體形狀B的端面進行噴砂處理。在試樣A的涂層面和B的粗化面之間涂一層薄而均勻的粘合劑，令兩試樣軸線重合，并加以適當壓力使其充分粘合，不要使氣泡殘留在粘合劑中，清除溢出的粘合劑，以免影響檢測精度。待固化后，進行拉伸試驗，結(jié)合強度

式中：σb為噴涂層拉伸結(jié)合強度（MPa），F(xiàn)為噴涂層被拉斷時的外加載荷（N），D為圓柱體A或者B的直徑（mm）。

2.3 涂層孔隙率測定

孔隙率是表征涂層密實程度的度量。電弧噴涂涂層中存在有孔隙和氧化物夾雜，其孔隙率是涂層的重要性能指標。

試驗原理：將含有試液的膏狀物均勻涂覆在經(jīng)過清潔和干燥處理的試樣表面。膏狀物中的試液滲入涂層孔隙，與基體金屬作用，生成具有特征顏色的斑點，對膏體上有色斑點數(shù)目進行計數(shù)，即可得到涂層孔隙率。

試驗步驟：將處理過的試樣表面均勻涂覆制備好的膏劑，使用量為0.5～1g／dm2，經(jīng)過5～10min后，直接觀察膏層上的有色斑點，按每平方厘米計數(shù)斑點數(shù)量，確定孔隙率。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 涂層硬度試驗結(jié)果

涂層硬度試驗結(jié)果如表1所示，根據(jù)表1所測的顯微硬度值分別繪制成如圖2、圖3所示柱狀圖和顯微硬度曲線。

表1 超音速電弧噴涂涂層的顯微硬度值

測試的結(jié)果可以看出：各個涂層的顯微硬度分布比較均勻。涂層的顯微硬度與涂層材料、涂層的顯微組織、涂層的相結(jié)構(gòu)等因素有關。由于涂層內(nèi)含有氣孔和氧化物夾渣，涂層的組織結(jié)構(gòu)通常具有非均一性，導致試驗結(jié)果出現(xiàn)一定起伏。

由測試數(shù)據(jù)結(jié)果也可以看出，超音速電弧噴涂的噴涂層的硬度較高，這是因為超音速電弧噴涂的噴涂速度更大，超音速霧化的效果更好，組織多元化傾向使得涂層更加致密，涂層的硬化程度得以提高。

3.2 涂層結(jié)合強度試驗結(jié)果

本試驗檢測的是涂層與基體之間的結(jié)合強度，它是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結(jié)合面上剝落下來所需要的力，試驗結(jié)果如表2所示。結(jié)合強度是涂層結(jié)合性能非常重要的一個指標。如果軸承套圈內(nèi)壁的涂層結(jié)合強度不夠，輕則會引起涂層壽命降低，產(chǎn)生早期失效，重則造成涂層局部起皮、剝落無法使用，起不到對軸承套圈的保護作用。由表2可知，超音速電弧噴涂涂層的平均結(jié)合強度為40.1MPa，這也是超音速電弧噴涂粒子速度顯著提高后的直接效果。

3.3 涂層孔隙率測定結(jié)果

測定結(jié)果如表3所示，以平均值作為涂層的孔隙率，測得QAl9－2鋁青銅涂層的孔隙率約為2%。

表2 涂層結(jié)合強度

表3 超音速電弧噴涂涂層的孔隙率

孔隙形成的機制有3種：變形粒子間的不完全重疊、氣孔的形成和凝固收縮。

超音速電弧噴涂的粒子速度很高，粒子沉積的時候撞擊力大，變形充分。大大減少了粒子之間的不完全重疊，促進了粒子之間的良好結(jié)合，有利于降低涂層的孔隙率。

另外，超音速電弧噴涂涂層的主要組成相與噴涂原材料的組成相發(fā)生很大的改變。在噴涂過程中會有少量的霧化粒子在空氣中飛行時被氧化，生成少量的氧化物在涂層中形成夾雜物的情況。這種夾雜物一般會影響涂層內(nèi)部顆粒之間的相互嵌合，降低涂層的聚合強度。超音速電弧噴涂可以有效抑制粒子在飛行過程中被氧化，而減少夾雜物的形成。

4 結(jié) 論

通過對超音速電弧噴涂鋁青銅涂層性能試驗，涂層表面硬度平均值為170HV，熔合線到表面平均硬度為235HV；涂層結(jié)合強度平均值為40.1MPa；涂層孔隙率平均值為2.0%。

超音速電弧噴涂鋁青銅涂層結(jié)合強度和表面硬度都比較高，涂層質(zhì)量較好，比較致密，氣孔少，噴涂絲材粒子熔化充分，能滿足軸承套圈表面耐磨性要求。

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