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摘要：高速電弧噴涂技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型熱噴涂技術(shù)，該技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、低成本等特點(diǎn)。本文實(shí)驗(yàn)研究了高速電弧噴涂鎳鋁打底涂層的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度大于40MPa，顯微硬度平均值為210HV，表面粗糙度表征參數(shù)Ra值為13.11m，涂層孔隙率為2.26%，涂層主要由鎳鋁合金和鎳、鋁氧化物組成。高速電弧噴涂鎳鋁涂層結(jié)合強(qiáng)度高，涂層組織致密，是優(yōu)良的打底涂層。
高速電弧噴涂技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型電弧噴涂技術(shù)[1]，它是以電弧為熱源，以特殊的噴槍將熔化了的金屬絲材用氣流霧化，高速噴射到工件表面形成涂層的一種新型熱噴涂工藝。它以優(yōu)質(zhì)、高效、低成本等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。
采用電弧噴涂技術(shù)對(duì)一些涂層結(jié)合強(qiáng)度要求高的零部件進(jìn)行修復(fù)時(shí)，往往需要先噴涂打底層。打底層的研究也是電弧噴涂層推廣應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。在電弧噴涂的打底層材料中，鋁青銅絲材因具有自結(jié)合性被長(zhǎng)期應(yīng)用，但是噴涂時(shí)，它的粉塵和煙霧會(huì)嚴(yán)重刺激人的呼吸道，引發(fā)高燒等癥狀。近年來，采用了鎳鋁合金絲材作為鋁青銅的替代絲材，不但使勞動(dòng)條件改善，而且作為打底層的涂層質(zhì)量進(jìn)一步提高。
1實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
高速電弧噴涂Φ3mm鎳鋁合金(Ni-Al)實(shí)芯絲材。
1.2涂層界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定
參照GB9796–88對(duì)偶件拉伸試驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。方法如下：在經(jīng)噴砂預(yù)處理的圓柱棒端面噴涂涂層，對(duì)偶件噴砂處理。而后用TG205高強(qiáng)度膠進(jìn)行對(duì)心粘接，待完全固化后在CSS–1110電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。加載速度1mm/min。試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)公式σ=F/S(σ為涂層的結(jié)合強(qiáng)度，F(xiàn)為拉伸力，S為接觸面積)計(jì)算得出。為減少誤差，采用4個(gè)數(shù)據(jù)取平均值的方法。試樣制備時(shí)采用24目棕剛玉噴砂處理，噴砂角度80o，噴涂層厚度在0.5mm左右。
1.3涂層硬度測(cè)定
從噴涂層試樣上切割10mm×10mm×5mm的小塊制備涂層截面金相試樣，為便于測(cè)量，涂層厚度控制在0.5mm左右。用пмт-3型顯微硬度儀測(cè)量涂層的顯微硬度。測(cè)量時(shí)選用載荷200g，加載時(shí)間15s，選取涂層中間部位10個(gè)點(diǎn)測(cè)量取平均值。
1.4涂層孔隙率測(cè)定
涂層的孔隙率測(cè)定采用灰度法在LEICAQ500MC型圖象分析儀上按國(guó)標(biāo)GB3365-82進(jìn)行,隨機(jī)取10個(gè)視場(chǎng)，測(cè)定其孔隙率，以平均值作為涂層的孔隙率。
1.5涂層表面粗糙度與截面組織結(jié)構(gòu)分析
涂層表面粗糙度在Talysurf5-120型處理器上測(cè)量,截面結(jié)構(gòu)組織分析在CSM-950掃描電鏡上進(jìn)行，微區(qū)成分分析在PV9000能譜儀上進(jìn)行。
2結(jié)果與分析
2.1結(jié)合強(qiáng)度
結(jié)合強(qiáng)度是作為打底層的關(guān)鍵性能指標(biāo)，高速電弧噴涂鎳鋁涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為45MPa，最高值達(dá)到了51MPa。從圖1可以看出，涂層與基體的結(jié)合良好，粒子變形充分呈扁平狀，涂層均勻致密，層狀結(jié)構(gòu)明顯。在高速電弧噴涂過程中，粒子為熔融的鎳鋁合金液滴，根據(jù)Ni-Al二元合金狀態(tài)圖，此時(shí)會(huì)從鎳鋁固溶體中析出鋁。噴涂時(shí),鋁和鎳會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)放出大量的熱量，使熔融的鎳鋁合金粒子的溫度進(jìn)一步升高，高溫高速粒子撞擊表面后，會(huì)形成局部的微冶金結(jié)合。這是涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度提高的主要原因。
2.2顯微硬度
圖2(略)為鎳鋁涂層的顯微硬度分布，鎳鋁涂層的平均硬度值為210HV0.2，并且涂層的硬度值由涂層外緣到基體呈現(xiàn)處逐漸增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楦咚匐娀娡康牧Ｗ铀俣忍岣撸拷缑嫣幦廴诘牧Ｗ酉榷逊e形成的涂層，由于受到后續(xù)不斷的粒子的沖擊作用，使涂層呈現(xiàn)出內(nèi)致密、外疏松的特點(diǎn)。涂層顯微硬度曲線的變化特征恰恰反映了涂層的這一梯度變化特點(diǎn)。同時(shí)，作為打底層，較低的涂層硬度還會(huì)減少后續(xù)噴涂的工作層的內(nèi)應(yīng)力。
2.3表面粗糙度
一般采用中線值輪廓算術(shù)偏差Ra來評(píng)定表面粗糙度，如圖3(略)所示為鎳鋁涂層的表面粗糙度曲線，其表征參量Ra值為13.11m。涂層具有一定的表面粗糙度有利于工作層在打底層表面牢固的附著形成機(jī)械嵌合，可以提高工作層和打底層之間的涂層內(nèi)聚結(jié)合強(qiáng)度。
2.4涂層組織分析
圖4(略)為鎳鋁高速電弧噴涂層的SEM照片，從照片中可以看出涂層為典型的多相交錯(cuò)的層狀組織結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域存在小于10m的球狀組織，是粒子碰撞時(shí)飛濺形成的。通過測(cè)試涂層的孔隙率為2.26%。圖5(略)為局部放大后的SEM照片，從照片中可以看出黑白兩相的交錯(cuò)成分，對(duì)兩相進(jìn)行能譜元素分析結(jié)果如圖6(略)和表1(略)所示。涂層中黑灰色相主要為氧化物，白色相主要為原合金絲材成分，涂層中氧化物含量較少。
3結(jié)論
綜上所述，高速電弧噴涂鎳鋁涂層具有40MPa以上的界面結(jié)合強(qiáng)度，涂層表面具有一定粗糙度，涂層顯微硬度、孔隙率和氧化物含量低，組織致密，主要由鎳鋁合金和鎳、鋁氧化物組成。高速電弧噴涂鎳鋁噴涂層是性能優(yōu)異的打底層。
