唐 源 李 維 于耀華 吳偉建 鄧 強(qiáng) 吳 昊 唐健凱 付國(guó)忠

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213；2.上海第一機(jī)床廠有限公司，中國(guó) 上海201308）

0 引言

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為反應(yīng)堆的伺服機(jī)構(gòu)，起著反應(yīng)堆啟堆、功率調(diào)節(jié)、停堆和事故工況下的緊急停堆的作用，長(zhǎng)期運(yùn)行情況下均需要進(jìn)行定期檢修。 而耐壓殼體作為一回路邊界。 其通過定位面和管座直接接觸，長(zhǎng)期使用工況下，易發(fā)生粘咬，為避免密封殼和管座連接處裝拆過程中出現(xiàn)粘咬而引發(fā)的機(jī)構(gòu)安裝、 維修困難，經(jīng)過相關(guān)技術(shù)研究，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼擬采用抗粘咬技術(shù)：除在梯形螺紋上有鍍層以外，還在兩個(gè)圓柱定位面上要求噴涂CrNi/CrC 涂層。工程經(jīng)驗(yàn)表明，該涂層可以有效防止耐壓殼體在裝拆過程中粘咬， 便于拆卸，保證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝拆安全無損。

本文通過兩種熱噴涂方法下不同工藝參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，研究不同工藝路線下，其定位面涂層的性能。

1 熱噴涂技術(shù)簡(jiǎn)介

熱噴涂技術(shù)將某種粉末材料在不同的熱源 （如電弧，離子弧或燃燒的火焰等）下進(jìn)行加熱至溶化，然后在高速氣流的帶動(dòng)下形成很細(xì)小的熔滴，熔滴進(jìn)而噴射到基體表面，最后形成具有耐腐蝕、耐熱耐磨抗氧化等綜合性能良好的具有防護(hù)基體材料的涂層技術(shù)[1]。 其具有噴涂材料范圍廣、調(diào)節(jié)方便、適應(yīng)性強(qiáng)、噴涂氣氛易控、涂層結(jié)合力強(qiáng)、氣孔率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可以使基體表面達(dá)到耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。

超音速火焰噴涂和等離子噴涂作為熱噴涂技術(shù)兩個(gè)重要的技術(shù)，在材料表面改性中有著較大的應(yīng)用。

1.1 超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂是將某種燃?xì)饣蚰撤N液體燃料與氧氣在燃燒室內(nèi)混合燃燒， 通過燃燒火焰產(chǎn)生的高壓高速焰流將需要噴涂的材料加熱加速噴射到基體表面形成涂層的一項(xiàng)表面改性技術(shù)[2]。 超音速火焰噴涂基于超音速噴管的原理， 產(chǎn)生高速的燃?xì)饬?500～2000m/s（＞5 馬赫），加速粒子，獲得高速的粒子流600～1000m/s，顆粒撞擊到基體表面會(huì)更加平展， 獲得結(jié)合強(qiáng)度高（＞70MPa）、致密組織（空隙率小于1%）涂層。 超音速火焰噴涂焰流溫度在2600 ～3200 ℃，尤其適合碳化物金屬陶瓷涂層的噴涂制備。

圖1 超音速火焰噴涂示意圖

1.2 等離子噴涂

等離子噴涂技術(shù)采用直流電驅(qū)動(dòng)的等離子氣體作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法[3]。 這種噴涂方法的焰流溫度高（焰心3200K），速度較大（400m/s ～600m/s），效率高，制備高熔點(diǎn)的金屬涂層和陶瓷涂層有很大的優(yōu)越性。

圖2 等離子噴涂

近些年來，等離子噴涂技術(shù)有了飛速的發(fā)展，已開發(fā)出高能粒子噴涂、低壓（真空）等離子噴涂、水穩(wěn)等離子噴涂，超音速等離子噴涂、計(jì)算機(jī)控制的等離子噴涂設(shè)備，以及一系列的噴涂材料，這些新技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用日益顯示出優(yōu)越性和重要性。

根據(jù)上述噴涂技術(shù)工藝特點(diǎn)， 采用等離子噴涂（APS）和超音速火焰噴涂（HVOF），并分析涂層性能和進(jìn)行對(duì)比。

2 兩種噴涂工藝涂層試樣制備及性能對(duì)比

2.1 超音速火焰噴涂（HVOF）

2.1.1 工藝參數(shù)通過調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)針對(duì)涂層的硬度、孔隙率等性能進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，可調(diào)節(jié)的噴涂參數(shù)氧氣流量、煤油流量。

2.1.2 涂層性能對(duì)比

噴涂參數(shù)中氧氣煤油的流量對(duì)涂層的性能影響非常大， 要得到優(yōu)質(zhì)涂層必須保證噴涂粉的充分家人和加速，氧氣流量的增加一般會(huì)帶來噴涂焰流速度的提升，煤油流量的增加會(huì)增加焰流的熱值，同時(shí)對(duì)焰流速度也有影響， 通過進(jìn)行針對(duì)9 組樣本的涂層進(jìn)行硬度、孔隙率和沉積效率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4 所示：

圖3 超音速火焰噴涂涂層硬度、孔隙率和沉積效率對(duì)比

上圖中a）、b）和c）分別反映了三種氧氣流量和三種煤油流量下，涂層的硬度、孔隙率和沉積效率對(duì)比。 由圖a）可以看出，隨著氧氣流量和煤油流量的增加。 涂層硬度有所提高，隨著煤油流量和氧氣流量到一定程度，硬度增加幅度變化較小。

由圖b）可以看出，隨著氧氣流量增加，孔隙率逐漸減小，隨著煤油流量增加孔隙率逐漸減小到逐漸變緩。

由圖c）可以看出，隨著氧氣流量增加，沉積效率逐漸增加，隨著氧氣流量增加孔沉積效率變化逐漸變緩。

2.2 等離子噴涂

2.2.1 等離子噴涂工藝實(shí)驗(yàn)

通過調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)針對(duì)涂層的硬度、孔隙率等性能進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，對(duì)于等離子噴涂來說可調(diào)節(jié)參數(shù)有氬氣流量、氫氣流量等。

2.2.2 等離子噴涂涂層性能

噴涂參數(shù)中氬氣和氫氣的流量直接決定了顆粒的受熱和加速情況，氬氣流量確保焰流的穩(wěn)定，并提供等離子體電離基礎(chǔ)，氫氣時(shí)雙原子分子，其電離 獲得的能量巨大，且易于將能量進(jìn)行有效的傳導(dǎo)，所以噴涂粉的加熱具有更大的貢獻(xiàn)。

圖4 等離子噴涂涂層硬度、孔隙率和沉積效率對(duì)比

通過上圖中a）、b）和c）可以知道，氬氣、氫氣流量對(duì)噴涂粉的加熱加速直接影響著涂層的硬度，由圖a）可知，隨著氬氣流量增大時(shí)，涂層硬度和沉積效率均最低。隨著氫氣流量增加，硬度逐漸減小，孔隙率降低，沉積效率變差。

氫氣流量、氬氣流量對(duì)涂層孔隙率影響主要見圖b)，由圖中可以看出，隨著氬氣流量增加，孔隙率逐漸變?。浑S著氫氣流量增加，孔隙率逐漸變大，氫氣流量較低時(shí)，對(duì)孔隙率影響較小。

氫氣流量、氬氣流量對(duì)涂層孔隙率影響主要見圖c)，由圖中可以看出， 隨著氬氣流量增加， 沉積效率逐漸變高；隨著氫氣流量增加，沉積效率逐漸變低，氫氣流量較低時(shí)，對(duì)沉積效率影響較小。

3 等離子噴涂和超音速噴涂結(jié)果對(duì)比

3.1 結(jié)合強(qiáng)度

利用FM1000 型粘接劑對(duì)噴涂試樣塊涂層進(jìn)行在粘接，可利用GP-TS2000M 萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸力檢測(cè)其結(jié)合強(qiáng)度，試塊涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)量機(jī)對(duì)比結(jié)果如圖5 所示，測(cè)量結(jié)果表示， 等離子噴涂CrNi/CrC 涂層的結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散度相對(duì)較大，平均值為35MPa，而超音速火焰噴涂CrNi/CrC 涂層結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)相對(duì)較優(yōu)，平均值為88MPa。

圖5 試塊涂層結(jié)合強(qiáng)度及對(duì)比結(jié)果

3.2 顯微硬度

使用噴涂試驗(yàn)樣塊橫截剖面制作試樣，經(jīng)拋磨后檢測(cè)涂層的纖維硬度。 測(cè)量結(jié)果表示， 等離子噴涂CrNi/CrC 涂層的顯微硬度相對(duì)較低，平均值為Hv687.6，超音速火焰噴涂CrNi/CrC 涂層的顯微硬度數(shù)據(jù)有明顯提高，平均值為Hv915.6。

圖6 超音速火焰噴涂和等離子噴涂試樣性能對(duì)比

3.3 涂層孔隙率及顯微組織

圖7 等離子噴涂涂層孔隙形貌和污染面貌

圖8 等超音速火焰涂層孔隙形貌和污染面貌

沿涂層和基體的法向切開，利用光學(xué)顯微鏡針對(duì)顯微組織進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果圖8 所示，結(jié)果表明，等離子噴涂涂層孔隙率小于8%， 而超音速火焰噴涂涂層孔隙率則小于1%，超音速火焰噴涂涂層更為致密。

4 結(jié)論

1）分別采用不同工藝參數(shù)下等離子噴涂技術(shù)和超音速火焰噴涂技術(shù)制備了CrNi/CrC 符合涂層， 涂層與基體結(jié)合良好，結(jié)果表明由對(duì)比分析可知，涂層性能與工藝參數(shù)直接相關(guān)。

2）超音速火焰噴涂涂層綜合優(yōu)于等離子噴涂涂層性能， 超音速火焰噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度與等離子涂層相比，分別提高了150%和33%。

3）超音速火焰噴涂涂層的孔隙率僅為等離子噴涂涂層的1/8