鳳國保，李志忠，王幸福

（1.安徽省威龍?jiān)僦圃炜萍脊煞萦邢薰?，安徽馬鞍山 243000；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所，安徽合肥 230031）

引言

熱噴涂NiCr-Cr3C2涂層具有優(yōu)異的耐磨損、耐腐蝕、抗高溫氧化等綜合性能，廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化或尺寸修復(fù)，如柴油機(jī)缸套、銅結(jié)晶器及沉沒輥防護(hù)、鍋爐四管的抗高溫氧化腐蝕器件等。超音速火焰噴涂（HVOF）工藝火焰溫度適中，粒子飛行速度高，在火焰中停留時間短[1]，因此，HVOF方法制備的NiCr-Cr3C2等涂層具有氧化燒損低、結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，目前已成為金屬陶瓷涂層優(yōu)先選用的制備方法[1]。

然而，受限于熱噴涂技術(shù)特點(diǎn)，HVOF涂層因貼片沉積不可避免會形成層狀結(jié)構(gòu)[2]，同時因淬火效應(yīng)以及應(yīng)變失配造成的殘余應(yīng)力[4]，將嚴(yán)重影響界面強(qiáng)度及其力學(xué)性能，進(jìn)而影響涂層的使用性能。研究表明，熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)及其性能取決于噴涂粒子在基體表面的貼片沉積以及貼片間的結(jié)合情況，而其又與噴涂粒子尺寸結(jié)構(gòu)、制備工藝以及基體特征等密切相關(guān)。關(guān)于HVOF噴涂粉體選擇[5]、工藝參數(shù)[6]優(yōu)化、基體粗化處理[7]等問題，已有大量研究，而基體預(yù)熱溫度等前處理環(huán)節(jié)則關(guān)注較少。實(shí)際上，在等離子噴涂、電弧噴涂、激光熔覆等工藝中，基體溫度對涂層界面狀態(tài)以及涂層質(zhì)量的影響作用已有大量討論[8-10]，這些工藝的特點(diǎn)是在涂層制備過程中，噴涂粒子溫度較高，幾乎處于完全熔融狀態(tài)，較高的基體預(yù)熱溫度有利于噴涂熔滴的鋪展。

HVOF噴涂工藝獲得的焰流溫度適中，噴涂粒子為微熔或半熔狀態(tài)，且速度較高，其沉積機(jī)制介于冷噴涂（依賴高速碰撞下固態(tài)粒子塑性變形）與高溫噴涂（如等離子噴涂，熔融粒子鋪展）之間，因此，研究基體溫度對HVOF金屬陶瓷涂層性能的影響機(jī)制具有重要意義。筆者通過分析不同基體溫度條件下制備的HVOF NiCr-Cr3C2涂層的界面形貌、涂層硬度、結(jié)合強(qiáng)度、熱震性能等，有望闡明其作用機(jī)制，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料為316L不銹鋼，尺寸為80 mm×80 mm×10 mm；噴涂材料為NiCr-Cr3C2合金粉末，具體信息如下：

材料牌號：1375VM；

材料成分：Cr3C2-25NiCr；

粉體粒度：15～45 μm；

生產(chǎn)廠家：PRAXAIR SURFACE TECHNOLOGIES。

1375VM型NiCr-Cr3C2合金粉為HVOF常用的團(tuán)聚燒結(jié)型粉體，形貌如圖1所示。該類型粉體材料，為球形多孔結(jié)構(gòu)，以保證其在HVOF噴涂過程中受熱均勻，具有較好的流動性，獲得的涂層性能優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械混合粉。

圖1 團(tuán)聚燒結(jié)型NiCr-Cr3C2合金粉

2 HVOF涂層制備

將316L不銹鋼基材經(jīng)過去脂、去離子水漂洗、超聲波清洗、烘干處理后，采用24#熱噴涂專用金剛砂進(jìn)行粗化處理，表面粗糙度Ra7～9。將基體試樣置于可控箱式電阻爐內(nèi)加熱到指定溫度，然后立即取出來進(jìn)行噴涂，基體預(yù)熱溫度分別為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃。采用JP8000超音速噴涂設(shè)備制備NiCr-Cr3C2涂層，具體工藝參數(shù)如下：

噴涂材料：NiCr-Cr3C2；

氧氣流量（SCFH）：1850；

煤油流量（LPH）：22.71；

載氣（SCFH）：9.9；

送粉（RPM）：5；

噴涂距離（mm）：360；

槍嘴長度（In）：6。

3 涂層表征與測試

利用SU8020型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察NiCr-Cr3C2粉體的顆粒形貌；采用Zeiss A10X金相顯微鏡觀察基體-涂層的界面結(jié)合情況，并對涂層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取5組數(shù)據(jù)的平均值；利用HV-1000A型顯微硬度計(jì)測試基體-涂層顯微硬度分布（載荷300 g，保持時間15 s），為避免壓痕殘余應(yīng)力場的影響，至少相隔40 μm取一測量點(diǎn)，至少測試3組數(shù)據(jù)；采用X’Pert Pro MPD型X射線衍射儀（XRD，Cu Kα）測量涂層的殘余應(yīng)力；采用洛式壓痕方法（載荷150 kg，保持時間15 s）表征涂層與基體結(jié)合性能；采用熱震法（800℃水淬，中間保溫10 min）考察涂層的熱疲勞行為。

4 涂層與基體界面形貌

圖2是不同基體預(yù)熱溫度下涂層截面形貌圖?？梢钥闯?，隨著基體預(yù)熱溫度升高，涂層與基體結(jié)合越來越緊密。基體溫度為50℃時，可觀察到涂層與基體之間貼合程度不足，即界面沉積處的噴涂粒子難以填滿基體因噴砂形成的空隙，且在平緩交界處存在明顯的界面分層現(xiàn)象，這主要是由于基體表面水膜蒸發(fā)形成的反沖力作用以及到達(dá)基體上的微熔或半熔粒子快速凝固而來不及扁平化所致[17]。當(dāng)基體溫度在100℃以上時，其表面吸附形成的水膜絕大部分會蒸發(fā)掉，再加上基體材料熱物理性能的改善，噴涂粒子的扁平化程度增大，界面空隙與分層現(xiàn)象逐漸減少，涂層與基體間結(jié)合程度越來越緊密?；w預(yù)熱溫度達(dá)到200℃時，可以發(fā)現(xiàn)界面處涂層能較好地貼合基體表面，表現(xiàn)出較好的機(jī)械咬合效應(yīng)。

圖2 不同基體預(yù)熱溫度下涂層截面相形貌圖

5 涂層沉積率

采用同樣的噴涂工藝，在不同基體溫度試樣上得到的涂層，其沉積率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨基體預(yù)熱溫度提高，沉積率有所升高。當(dāng)基體預(yù)熱溫度高于150℃后，涂層沉積率變化不大。吳姚莎[17]等在研究基體溫度對電弧噴涂涂層影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，并認(rèn)為這主要是由于預(yù)熱溫度較低時，基體表面在噴砂后易于吸附空氣中的水蒸氣，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生一層極薄的水膜，噴涂過程中，水膜受到噴涂熱流而汽化，形成強(qiáng)大的反沖氣壓，從而使一部分噴涂粒子不能到達(dá)基體表面，致使沉積率降低，涂層厚度受到一定影響。當(dāng)基體溫度增加到150℃時，其表面吸附形成的水膜絕大部分會蒸發(fā)掉，因此噴涂粒子扁平化程度增強(qiáng)，涂層沉積率均有增大?；w溫度繼續(xù)上升，吸附的水膜基本消失，涂層沉積率等數(shù)值不再發(fā)生顯著變化。

圖3 基體預(yù)熱溫度對HVOF涂層沉積率的影響

6 涂層硬度分析

采用顯微硬度計(jì)對基體-涂層截面進(jìn)行硬度分析，如圖4所示。可以看出，不同基體預(yù)熱溫度條件下獲得的涂層，其硬度值相差不大，而界面處以及界面附近硬度有較大差異（圖4左），顯然，這與界面結(jié)合情況有關(guān)?；w預(yù)熱溫度較低，如50℃時，因此涂層與基體結(jié)合處空隙較多，平均硬度值最低；高于100℃，界面結(jié)合更為致密，平均硬度提高。原因在于，當(dāng)基體預(yù)熱溫度較低時，基體-涂層結(jié)合力較弱，當(dāng)硬度計(jì)壓頭壓入基體-涂層界面處時，易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而降低了硬度值，如圖4右所示。

圖4 基體-涂層硬度分布及試樣界面處硬度分析形貌

7 涂層殘余應(yīng)力分析

熱噴涂過程中因涂層高溫淬火以及組織失配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對涂層結(jié)合強(qiáng)度、熱疲勞性能等具有重要影響[19]。采用XRD方法測量涂層的殘余應(yīng)力，進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 基體溫度對涂層殘余應(yīng)力的影響

可以看出，隨著基體的溫度的提高，涂層表層殘余應(yīng)力逐漸減小，這是因?yàn)榛w的溫度適當(dāng)升高，降低了沉積層與基體之間的溫差以及材料熱物性能的差異，減小了彼此間的相互作用力，有利于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)分析結(jié)果，HVOF涂層表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，這對于提升熱噴涂涂層的疲勞性能具有一定積極作用。

8 涂層結(jié)合強(qiáng)度分析

采用洛式壓痕法，觀察壓痕周圍涂層宏觀開裂情況，定性分析涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，壓痕形貌如圖6所示。

可以看出，基體預(yù)熱溫度為50℃時，HVOF涂層裂紋最為明顯。隨基體預(yù)熱溫度提升，涂層壓痕周邊裂紋擴(kuò)展等級變小，200℃以上時，涂層壓痕處無較大裂紋生成，表明其與基體的結(jié)合情況較好，這是因?yàn)橥繉颖韺又写嬖跉堄鄩簯?yīng)力，在一定程度上可促進(jìn)涂層中裂紋的閉合，并改善疲勞性能，但基體溫度較低時，殘余壓應(yīng)力過大，可能會導(dǎo)致涂層粘附性失效，引起開裂剝落[20]，從而使基體溫度在200℃左右時表現(xiàn)出最高的結(jié)合強(qiáng)度。

圖6 150 kg載荷下洛式壓痕形貌圖

9 涂層熱震分析

采用熱震法（800℃水淬，中間保溫10 min）檢測涂層的熱疲勞行為，經(jīng)反復(fù)淬火40次后，其截面形貌如圖7所示。

圖7 熱震試驗(yàn)后（40次）涂層截面金相圖

由淬火熱應(yīng)力分析可知，熱震使涂層由外向里產(chǎn)生熱應(yīng)變梯度，形成垂直于表面的裂紋?；w溫度為50℃條件下獲得的HVOF涂層，開裂最為明顯，裂紋貫穿整個涂層截面，表明其抗熱疲勞性能較差。相關(guān)研究[21]表明，熱震試驗(yàn)中，界面在交變熱應(yīng)力作用下易萌發(fā)疲勞裂紋，因此，基體預(yù)熱溫度較低時，涂層界面缺陷較多，且涂層表面殘余應(yīng)力較大，從而使其產(chǎn)生較多宏觀裂紋。當(dāng)預(yù)熱溫度不斷提高，涂層表面殘余應(yīng)力降低，且涂層界面結(jié)合性能改善，因此在熱震實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出更好的抗開裂能力。

10 結(jié)論

（1）隨基體預(yù)熱溫度上升，噴涂粒子扁平化程度加大，界面結(jié)合更加致密，涂層沉積率略有提高，150℃以上，變化不大。

（2）隨基體預(yù)熱溫度升高，涂層殘余應(yīng)力降低，洛氏壓痕實(shí)驗(yàn)表明，基體預(yù)熱溫度為200℃時，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度最高，這與涂層中適度的殘余壓應(yīng)力有關(guān)。

（3）隨基體預(yù)熱溫度升高，涂層熱疲勞性能有所增強(qiáng)，這與涂層殘余壓應(yīng)力降低以及基體-涂層界面結(jié)合性能提升有關(guān)。