黃 東,宋立志,陳 蒙

(商丘工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 商丘476000)

等離子噴涂作為表面防護(hù)的重要手段之一，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。等離子噴涂具有高速、高效、作用范圍廣等優(yōu)勢，可以將陶瓷材料的耐熱、耐磨、耐腐蝕等性能與基體金屬高韌性、高強(qiáng)度等性能結(jié)合起來，大大提高使用性能[1-3]。但各種熱效應(yīng)會導(dǎo)致等離子噴涂涂層內(nèi)部產(chǎn)生較多缺陷，如孔隙率高、結(jié)合強(qiáng)度低而易發(fā)生剝落和開裂，此外，呈現(xiàn)層狀堆疊的涂層也是無法滿足實際生產(chǎn)需要的[4]。因此，可對噴涂涂層進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚?，以提高涂層的耐磨、耐腐蝕等性能[5]。

本文主要對等離子噴涂涂層的幾種重熔后處理方式進(jìn)行綜述，并對涂層后處理的發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

1 噴涂涂層的激光重熔后處理

激光重熔后處理是指，利用高能激光束對工件表面的噴涂涂層進(jìn)行照射，使陶瓷或合金涂層快速熔化并混合，在基體表面形成厚度為10～1 000 μm的熔覆層，再利用基體吸熱作用使熔池中的金屬液快速冷卻并凝固，從而細(xì)化合金組織，減少偏析，形成高度的過飽和固溶體等亞穩(wěn)定相乃至非晶態(tài)，達(dá)到對合金表面改性的目的[6-8]。文獻(xiàn)[5]給出的激光重熔后處理工藝如圖1所示。

圖1 激光重熔后處理工藝示意圖

相對于傳統(tǒng)滲碳、滲氮等熱處理技術(shù)，激光處理技術(shù)具有加工區(qū)可選、熱變形小，可處理形狀復(fù)雜零件，對零件內(nèi)部影響小等特點(diǎn)。對涂層進(jìn)行激光重熔后處理可以去除涂層中的孔隙和層狀結(jié)構(gòu)，從而獲得均勻的顯微組織，并能通過涂層與基體界面附近的元素擴(kuò)散來增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度[9-11]。

楊可等[12]通過激光重熔對等離子噴涂的Al2O3-40%TiO2涂層進(jìn)行再處理，并對處理后涂層進(jìn)行了耐沖蝕性能實驗。結(jié)果表明，激光重熔后處理消除了等離子噴涂Al2O3-40%TiO2涂層的層狀結(jié)構(gòu)，使得等離子噴涂涂層中 γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3，形成了α-Al2O3+TiAl2O5的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[12]給出的等離子噴涂涂層及其激光重熔處理后的剖面組織如圖2所示。由圖2可見，經(jīng)激光重熔后處理，涂層組織更致密均勻、硬度更高，且具有冶金結(jié)合特征和更好的耐沖蝕性能。

(a) 等離子噴涂態(tài)

Wang[13]等利用激光重熔技術(shù)處理等離子噴涂涂層ZrO2-7wt%Y2O3(一種陶瓷涂層)，并對其顯微組織、顯微硬度及固體顆粒侵蝕行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明：ZrO2-7wt%Y2O3陶瓷涂層具有典型的層狀堆垛特性，表面粗糙，有一定孔隙和微裂紋；經(jīng)激光重熔后處理，該涂層表面的片層缺陷被消除，致密性得到明顯改善。此外，硬度測試表明，原涂層顯微硬度僅為1 050 HV，重熔處理后的涂層顯微硬度在1 900 HV；沖擊腐蝕測試表明，激光重熔處理后涂層的腐蝕質(zhì)量損失低于原涂層。Yu等[14]采用等離子噴涂技術(shù)在牌號為316L的不銹鋼上制備了Al2O3-20wt%ZrO2納米結(jié)構(gòu)涂層，并用連續(xù)的CO2激光進(jìn)行了涂層的激光重熔后處理。研究結(jié)果表明：激光重熔后處理能使基體-涂層界面的機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，顯著減少涂層的氣孔、微裂紋和未熔顆粒數(shù)，降低表面粗糙度；重熔處理后涂層的彈性模量(205.652±19.407 GPa)和納米硬度(17.606±3.251 GPa)均高于原涂層的彈性模量(159.823±32.174 GPa)和納米硬度(12.282±4.059 GPa);重熔處理后涂層的斷裂韌性也高于原涂層。Yi等[15]采用激光重熔技術(shù)對等離子噴涂氧化釔穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層進(jìn)行重熔處理，并研究了該涂層在V2O5和Na2SO4混合熔鹽下的耐腐蝕性能，給出了圖3所示的涂層表面和截面形貌。結(jié)果表明，激光重熔后處理使涂層形成了致密光滑的表面，降低了熔鹽對涂層的滲透性，有效地提高了涂層的耐熱腐蝕性能。

(a) 等離子噴涂涂層表面形貌 (b) 等離子噴涂涂層截面形貌

等離子噴涂涂層經(jīng)激光重熔后處理，能提高致密性，降低孔隙率，改善耐蝕、耐磨性能及其與基體的結(jié)合強(qiáng)度。但是，由于陶瓷材料與基體金屬間熱膨脹系數(shù)的巨大差異以及陶瓷材料的高脆性，在激光重熔后處理的急劇加熱和冷卻過程中，陶瓷涂層易產(chǎn)生裂紋和剝落問題，使重熔后涂層的壽命降低，因此需要進(jìn)一步研究激光重熔后處理的工藝參數(shù)，以獲得性能更優(yōu)越的涂層。

2 噴涂涂層的感應(yīng)重熔后處理

感應(yīng)重熔技術(shù)與其他重熔技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)勢：①熔覆層致密，性能較好；②效率高；③重熔后涂層與基體的結(jié)合更好；④對基體影響較小；⑤成本較低[16-22]。

Dong等[23-24]采用感應(yīng)重熔技術(shù)，對AISI 1045鋼板上等離子噴涂的NiCrBSiNb涂層進(jìn)行后處理，研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐磨性，給出了圖4所示的NiCrBSiNb涂層及其感應(yīng)重熔處理后的截面形貌。研究結(jié)果表明，經(jīng)感應(yīng)重熔后處理，涂層中的缺陷基本消除，涂層與基體之間形成了冶金結(jié)合，力學(xué)性能得到了改善，涂層硬度和耐磨性得到了顯著提高。

Chen等[25]對等離子噴涂NiCrBSi-TiN復(fù)合涂層進(jìn)行感應(yīng)重熔后處理，并對重熔后涂層進(jìn)行耐磨性和耐沖蝕性試驗，對比了感應(yīng)重熔處理前后涂層摩擦系數(shù)(圖5)和磨損試驗后的表面形貌(圖6)。結(jié)果表明，感應(yīng)重熔后處理可以消除NiCrBSi-TiN復(fù)合涂層的氣孔、微裂紋等缺陷而改善層間結(jié)合，改變涂層的顯微組織，在重熔涂層與金屬基體間形成過渡層，以顯著提高涂層的耐磨性和耐沖蝕性能。

(a) 等離子噴涂涂層

(a) 等離子噴涂涂層

萬麗寧等[26]采用大氣等離子噴涂方法制備NiCrBSi/WC-Ni 復(fù)合涂層，通過高頻感應(yīng)加熱對涂層進(jìn)行重熔后處理，并對重熔處理前后的涂層性能進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：NiCrBSi 涂層的附著力為14.7 N，所制備NiCrBSi/WC-Ni復(fù)合涂層的附著力為13.7 N；感應(yīng)重熔處理后，NiCrBSi涂層的附著力為20.3 N，所制備NiCrBSi/WC-Ni復(fù)合涂層的附著力為18.4 N；復(fù)合涂層中基體相NiCrBSi的顯微硬度為432 HV，而WC-Ni相的顯微硬度為1 226 HV；感應(yīng)重熔處理后，復(fù)合涂層中 NiCrBSi基體相的顯微硬度為340 HV，而WC-Ni 相的顯微硬度為1 013 HV。分析可知，感應(yīng)重熔后處理增強(qiáng)了涂層的內(nèi)聚力，基本消除了涂層的顯微缺陷，實現(xiàn)了涂層與基體間的冶金結(jié)合，但感應(yīng)重熔處理后涂層比原涂層的顯微硬度降低了。這是由于在感應(yīng)重熔處理過程中，NiCrBSi 基體相的硬質(zhì)相顆粒會在高溫下發(fā)生一定程度的分解，而WC-Ni 相也會在高溫下發(fā)生部分脫碳分解。

涂層的感應(yīng)重熔后處理比其他重熔技術(shù)效率更高，且重熔后涂層質(zhì)量更好，成本也較低，是一種非常好的后處理手段，但它也會使一些涂層硬度降低，還會受到涂層本身電阻率的影響而降低處理效率。因此，對硬度要求不高的涂層進(jìn)行后處理時，可采用感應(yīng)重熔的處理方式。

3 噴涂涂層的電子束重熔后處理

與常規(guī)技術(shù)相比，電子束表面改性有以下優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)特性：①變形量小，可只針對被加工區(qū)域而不涉及其他區(qū)域；②精度高，便于精確控制；③效率高，能量利用率高；④工作過程清潔，無污染[27-29]。電子束重熔技術(shù)可有效改善涂層的抗氧化性能，減少涂層的氣孔，降低其表面粗糙度，提高涂層的粘結(jié)強(qiáng)度和耐磨性，阻止裂紋的產(chǎn)生[30-32]。文獻(xiàn)[33]給出的電子束重熔后處理工藝如圖7所示。

圖7 電子束重熔后處理工藝示意圖

徐向陽等[34]研究了電子束重熔后等離子噴涂CoCrW涂層組織的抗微動磨損性能。研究結(jié)果表明，電子束重熔后處理消除了原等離子噴涂涂層的層間氧化物、孔隙和層狀結(jié)構(gòu)，使重熔層與基體形成了冶金結(jié)合，將CoCrW涂層的抗微動磨損性能提高了13.3倍。吳亦哲[35]對等離子噴涂氧化鋯及鎢涂層進(jìn)行電子束重熔，并對電子束重熔處理前后的涂層性能進(jìn)行了表征(圖8)。結(jié)果表明，經(jīng)過電子束重熔后處理，氧化鋯涂層柱狀結(jié)構(gòu)的表面形成了致密的重熔層，重熔后涂層比原涂層的孔隙率降低20%，表面粗糙度有所降低，顯微硬度提升近兩倍，耐磨性及抗熱震性能顯著提高；鎢涂層在重熔后氧含量減小，空隙率降低，顯微硬度提升了近1.8倍。

注：(a)為重熔后氧化鋯及鎢涂層橫斷面形貌；(b)為重熔后氧化鋯及鎢涂層的表面形貌；(c)為重熔后氧化鋯及鎢涂層表面的柱狀結(jié)構(gòu)；(d)為等離子噴涂氧化鋯及鎢涂層的表面形貌。

李振鐸等[36]通過等離子噴涂制備Ni60A自熔合金涂層，并采用電子束重熔方式進(jìn)行了后處理。結(jié)果表明：原涂層平均硬度為629 HV，電子束重熔處理后涂層的平均硬度為875 HV；電子束重熔后處理Ni60A自熔合金涂層比原涂層的耐磨性高、孔隙率低、固溶強(qiáng)化相多、結(jié)合強(qiáng)度高。吳健等[37]利用脈沖電子束技術(shù)對采用大氣等離子噴涂制備的8YSZ熱障涂層進(jìn)行表面處理，并觀察其微觀結(jié)構(gòu)及熱震循環(huán)性能后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過電子束重熔處理，涂層中M相含量隨著電子束照射次數(shù)的增加而逐漸降低；原涂層表面孔隙較多，粗糙度較大，而電子束重熔處理后涂層表面的熱缺陷消失，重熔層更致密，且重熔層內(nèi)部形成了柱狀晶結(jié)構(gòu)和貫穿重熔層的網(wǎng)狀垂直裂紋，涂層表面粗糙度隨著電子束照射次數(shù)的增加而逐漸降低；250次熱循環(huán)后，原涂層發(fā)生整體剝落，涂層失效，而電子束重熔處理后涂層并未出現(xiàn)明顯的剝落，僅存在水平裂紋的擴(kuò)展跡象，涂層的熱循環(huán)壽命得到明顯提高。

電子束重熔處理技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可針對涂層的某一小區(qū)域進(jìn)行處理，使得能量更集中，基材變形量更小，可用材料范圍也更廣；同時，電子束重熔后處理工藝是在真空中進(jìn)行的，不會有污染物對工件表面產(chǎn)生影響。但由于其工作環(huán)境要求較高，不適合對深孔及大工件涂層進(jìn)行的重熔后處理。

4 噴涂涂層的火焰重熔與氬弧重熔后處理

4.1 涂層的火焰重熔后處理

相對于其他重熔處理技術(shù)來說，火焰重熔后處理的操作簡單，成本較低，對涂層厚度要求不苛刻，適用于加工熔點(diǎn)較低的中小型工件[38]。Yang等[39]對等離子噴涂NiCrBSi-30%Mo涂層進(jìn)行火焰重熔后處理，并測試了重熔處理后涂層的性能。結(jié)果表明：經(jīng)過火焰重熔處理，NiCrBSi-30%Mo涂層發(fā)生了表面改性，硬度、彈性模量和耐磨性均獲得提升；火焰重熔消除了涂層的跨晶裂紋和晶間裂紋。在干摩擦條件下，經(jīng)20 N磨損試驗，火焰重熔后的NiCrBSi-30%Mo涂層耐磨性優(yōu)于原涂層(圖9)。

(a) 原涂層 (b) 火焰重熔處理后涂層

Zhang等[40]采用超音速等離子噴涂在鑄鐵基體上制備了NiCrBSi/h-BN復(fù)合涂層，并采用氧乙炔火焰重熔技術(shù)對涂層進(jìn)行了后處理。結(jié)果表明：經(jīng)重熔處理，NiCrBSi/h-BN復(fù)合涂層組織得到改善，涂層與基體結(jié)合良好，結(jié)合強(qiáng)度接近33 MPa；在干摩擦條件下的磨損試驗中，原涂層摩擦系數(shù)約為0.6，而火焰重熔處理后涂層的摩擦系數(shù)降低到了0.4以下，且磨損量小于原涂層。

4.2 涂層的氬弧重熔后處理

氬弧重熔是以鎢棒作為電極在氬氣保護(hù)下進(jìn)行重熔的方法。在氬弧重熔過程中，焊槍噴出的氬氣屏蔽性很好，幾乎不引入雜質(zhì)，避免了涂層的氧化；氬氣具有極好的保護(hù)作用，使得重熔區(qū)的冶金反應(yīng)較簡單、易于控制，因此通過氬弧重熔能獲得高質(zhì)量的重熔層；氬弧能在很小的電流下穩(wěn)定地發(fā)熱，因此氬弧重熔的熱輸入過程容易控制，特別適合對薄板和熱敏感材料表面涂層的后處理。此外，鎢極氬弧重熔處理的操作簡單，成本較低[41-42]。

Yuan等[41]采用等離子噴涂在AISI 1045鋼基體上制備了NiCr-Cr3C2涂層，通過鎢極氬弧重熔對涂層進(jìn)行后處理，并測試了氬弧重熔處理前后的涂層硬度及耐磨性能。結(jié)果表明：鎢極氬弧重熔處理使NiCr-Cr3C2涂層的密度增大，孔隙率從8.1%降低到了0.2%，裂紋和夾雜物的數(shù)量大大減少；涂層的硬度也變得均勻，且從1 007 HV增加到1 141 HV，明顯增加了13.3%，斷裂韌性也增加了321.3%；在室溫下氬弧重熔后的涂層磨損量減少了59.5%，且從脆性斷裂和磨料磨損方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ夏p和膠黏劑磨損方式；700 ℃時的磨損量也減少了43.6%，磨損方式由氧化引起的脆性斷裂和疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p和黏著磨損。因此，鎢極氬弧重熔后處理可以有效改善等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層的顯微組織和機(jī)械性能。董天順等[42]對大氣等離子噴涂 Fe 基涂層及其氬弧重熔層的組織、力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：經(jīng)氬弧重熔處理，涂層的缺陷可基本消除，孔隙率從4.0%降到了0.4%，涂層由機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合方式；重熔處理后與處理前相比，涂層的平均彈性模量與顯微硬度分別提高了53.2%與33.4%，且其表面粗糙度降低了43.2%。

5 噴涂涂層的其他后處理

除重熔技術(shù)外，還有其他一些化學(xué)、物理方法能用于涂層的后處理，也可提高涂層性能。對等離子噴涂涂層進(jìn)行熱處理，也是一種提高涂層質(zhì)量的有效手段。它主要指退火處理，退火可以釋放涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，降低其孔隙率，改善涂層的性能。對于金屬涂層來說，熱處理后涂層會由片狀組織向等軸晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，等軸晶晶粒會突破片狀結(jié)構(gòu)的界面進(jìn)行生長，而等軸晶結(jié)構(gòu)是有助于改善涂層性能的[43]。

Chen等[44]對等離子噴涂的CoMoCrSi涂層進(jìn)行常壓下退火處理，并研究了其力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，涂層的力學(xué)性能和耐磨性能會明顯提高，這是因為退火處理消除了涂層中的缺陷，使涂層變得更加均勻、致密。原涂層和不同溫度熱處理后涂層磨損軌跡的SEM圖像、三維形貌、相應(yīng)的EDS能譜如圖10所示。

(a) 原涂層

熱處理雖然可以增強(qiáng)涂層的耐磨、耐腐蝕性能，但會在溫度提高時讓涂層內(nèi)部產(chǎn)生氧化物而導(dǎo)致某些涂層性能的降低，也會對基體產(chǎn)生不良影響。因此，應(yīng)根據(jù)涂層的性能要求來選用不同的后處理方式。

熱等靜壓技術(shù)具有各向均衡受壓、氣氛可控的特點(diǎn)，可從很大程度上減少材料的不均勻變形。它在涂層后處理方面的應(yīng)用主要是通過材料的擴(kuò)散蠕變和塑性變形機(jī)制，增大涂層的致密度，具體而言，就是在一定壓力下加熱軟化涂層中的顆粒，使其在受到外部應(yīng)力值大于自身屈服切應(yīng)力作用時產(chǎn)生塑性變形，并向孔隙處移動，實現(xiàn)填充孔隙的目的[45-47]。

魏少紅等[48]采用等離子噴涂方式在鎢基體表面制備鉭涂層，并對其進(jìn)行了熱等靜壓處理。結(jié)果表明，等離子噴涂鉭涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)熱等靜壓處理，涂層內(nèi)孔隙減小，致密度從91.2% 提高到 98.8%，結(jié)合強(qiáng)度由19.4 MPa 提高到22.5 MPa，硬度由517.8 HV 提高到了626.6 HV。

熱噴涂涂層存在的孔隙缺陷會導(dǎo)致涂層性能的降低，而解決熱噴涂涂層孔隙問題的主要途徑是采用封孔技術(shù)，即將封孔劑涂覆于熱噴涂涂層上并使其滲入涂層、填塞孔隙，從而實現(xiàn)對熱噴涂涂層的封孔處理[49]。宋占永等[50]采用SiO2溶膠和Al(H2PO4)3對等離子噴涂Fe基合金涂層進(jìn)行封孔處理，并研究了處理后的涂層性能。結(jié)果表明，SiO2溶膠和Al(H2PO4)3均可在Fe基合金涂層表面形成一層封閉膜，并通過毛細(xì)作用以涂層孔隙為通道進(jìn)入涂層內(nèi)部，從而顯著降低涂層的孔隙率，對涂層起到密封作用，改善涂層的致密性。封孔處理前后的等離子噴涂Fe基合金涂層形貌如圖11所示。

(a) 封孔處理前

陳健等[51]采用超聲沖擊技術(shù)對超聲速等離子噴涂的Cr3C2-NiCr涂層進(jìn)行了后處理和研究，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過超聲沖擊處理，涂層孔隙率從2.34%降至1.83%，涂層硬度由8.9 GPa提升至9.6 GPa；在650 ℃下進(jìn)行的熱震循環(huán)試驗中，未經(jīng)處理的涂層開裂時循環(huán)了7次，超聲沖擊處理后的涂層開裂時循環(huán)了11次，處理后涂層的熱震壽命大幅提高。

6 研究展望

等離子噴涂涂層重熔后處理工藝可有效提高涂層的各種性能，經(jīng)過后處理的涂層相比原涂層，耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性等都得到了提高，涂層本身的各種缺陷可得到不同程度的消除。不同的重熔后處理技術(shù)也存在不同的問題，如激光重熔后處理可能會導(dǎo)致涂層的開裂及剝落，感應(yīng)重熔后處理可能會使某些涂層硬度降低，等等。這其中不僅有涂層本身的性質(zhì)因素，也有后處理工藝與環(huán)境因素的影響。

要進(jìn)一步提高涂層性能，應(yīng)綜合考慮各種因素，包括：①對涂層進(jìn)行后處理時，應(yīng)根據(jù)涂層本身性質(zhì)及涂層的使用環(huán)境等，有針對性地選用合適的后處理方式；②后處理工藝對涂層性能有很大影響，應(yīng)對后處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整激光重熔后處理的重熔層深度、加熱溫度和冷凝溫度，盡量減小處理過程的熱應(yīng)力，又如優(yōu)化感應(yīng)重熔后處理的變頻電流作用過程；③應(yīng)系統(tǒng)地分析整個噴涂-后處理過程，不僅要優(yōu)化后處理工藝，而且應(yīng)對等離子噴涂的工藝進(jìn)行調(diào)整，同時對涂層材料進(jìn)行更深入的探索；④建立涂層后處理壽命監(jiān)測系統(tǒng)并開展涂層失效預(yù)測的研究，以避免涂層在關(guān)鍵時刻失效所導(dǎo)致的損失。