高速电弧喷涂镍铝打底层结构与性能研究

    摘要：高速电弧喷涂技术是近年来发展起来的新型热喷涂技术，该技术具有优质、高效、低成本等特点。本文实验研究了高速电弧喷涂镍铝打底涂层的组织结构和力学性能，涂层的界面结合强度大于40MPa，显微硬度平均值为210HV，表面粗糙度表征参数Ra值为13.11m，涂层孔隙率为2.26%，涂层主要由镍铝合金和镍、铝氧化物组成。高速电弧喷涂镍铝涂层结合强度高，涂层组织致密，是优良的打底涂层。

    关键词：高速电弧喷涂镍铝涂层打底层

    高速电弧喷涂技术是近年来发展起来的新型电弧喷涂技术[１]，它是以电弧为热源，以特殊的喷枪将熔化了的金属丝材用气流雾化，高速喷射到工件表面形成涂层的一种新型热喷涂工艺。它以优质、高效、低成本等特点受到广泛关注。

    采用电弧喷涂技术对一些涂层结合强度要求高的零部件进行修复时，往往需要先喷涂打底层。打底层的研究也是电弧喷涂层推广应用的重要基础。在电弧喷涂的打底层材料中，铝青铜丝材因具有自结合性被长期应用，但是喷涂时，它的粉尘和烟雾会严重刺激人的呼吸道，引发高烧等症状。近年来，采用了镍铝合金丝材作为铝青铜的替代丝材，不但使劳动条件改善，而且作为打底层的涂层质量进一步提高。

    1实验材料与方法

    1.１实验材料

    高速电弧喷涂Φ３mm镍铝合金（Ni-Al）实芯丝材。

    1.2涂层界面结合强度测定

    参照GB9796–88对偶件拉伸试验法进行实验。方法如下：在经喷砂预处理的圆柱棒端面喷涂涂层，对偶件喷砂处理。而后用TG205高强度胶进行对心粘接，待完全固化后在CSS–1110电子拉伸试验机上进行拉伸试验。加载速度1mm/min。试验结果依据公式σ＝F/S（σ为涂层的结合强度，F为拉伸力，S为接触面积）计算得出。为减少误差，采用4个数据取平均值的方法。试样制备时采用24目棕刚玉喷砂处理，喷砂角度80o，喷涂层厚度在0.5mm左右。

    1.3涂层硬度测定

    从喷涂层试样上切割10mm×10mm×5mm的小块制备涂层截面金相试样，为便于测量，涂层厚度控制在0.5mm左右。用пмт-3型显微硬度仪测量涂层的显微硬度。测量时选用载荷200g，加载时间15s，选取涂层中间部位10个点测量取平均值。

    1.4涂层孔隙率测定

    涂层的孔隙率测定采用灰度法在LEICAQ500MC型图象分析仪上按国标GB3365－82进行,随机取10个视场，测定其孔隙率，以平均值作为涂层的孔隙率。

    1.5涂层表面粗糙度与截面组织结构分析

    涂层表面粗糙度在Talysurf5－120型处理器上测量,截面结构组织分析在CSM－950扫描电镜上进行，微区成分分析在PV9000能谱仪上进行。

    2结果与分析

    2.１结合强度

    结合强度是作为打底层的关键性能指标，高速电弧喷涂镍铝涂层的平均结合强度为45MPa，最高值达到了51MPa。从图1可以看出，涂层与基体的结合良好，粒子变形充分呈扁平状，涂层均匀致密，层状结构明显。在高速电弧喷涂过程中，粒子为熔融的镍铝合金液滴，根据Ni-Al二元合金状态图，此时会从镍铝固溶体中析出铝。喷涂时,铝和镍会与空气中的氧气发生氧化反应放出大量的热量，使熔融的镍铝合金粒子的温度进一步升高，高温高速粒子撞击表面后，会形成局部的微冶金结合。这是涂层与基体界面结合强度提高的主要原因。

    2.2显微硬度

    图2（略）为镍铝涂层的显微硬度分布，镍铝涂层的平均硬度值为210HV0.2，并且涂层的硬度值由涂层外缘到基体呈现处逐渐增大的趋势。这主要是因为高速电弧喷涂的粒子速度提高，靠近界面处熔融的粒子先堆积形成的涂层，由于受到后续不断的粒子的冲击作用，使涂层呈现出内致密、外疏松的特点。涂层显微硬度曲线的变化特征恰恰反映了涂层的这一梯度变化特点。同时，作为打底层，较低的涂层硬度还会减少后续喷涂的工作层的内应力。

    2.3表面粗糙度

    一般采用中线值轮廓算术偏差Ra来评定表面粗糙度，如图3（略）所示为镍铝涂层的表面粗糙度曲线，其表征参量Ra值为13.11m。涂层具有一定的表面粗糙度有利于工作层在打底层表面牢固的附着形成机械嵌合，可以提高工作层和打底层之间的涂层内聚结合强度。

    2.4涂层组织分析

    图4（略）为镍铝高速电弧喷涂层的SEM照片，从照片中可以看出涂层为典型的多相交错的层状组织结构，部分区域存在小于10m的球状组织，是粒子碰撞时飞溅形成的。通过测试涂层的孔隙率为2.26%。图5（略）为局部放大后的SEM照片，从照片中可以看出黑白两相的交错成分，对两相进行能谱元素分析结果如图６（略）和表１（略）所示。涂层中黑灰色相主要为氧化物，白色相主要为原合金丝材成分，涂层中氧化物含量较少。

    ３结论

    综上所述，高速电弧喷涂镍铝涂层具有40MPa以上的界面结合强度，涂层表面具有一定粗糙度，涂层显微硬度、孔隙率和氧化物含量低，组织致密，主要由镍铝合金和镍、铝氧化物组成。高速电弧喷涂镍铝喷涂层是性能优异的打底层。