表面修復技術——熱噴涂層特質探析

王振東,李新德

（1.河南省路橋建設集團有限公司，河南 商丘 476000；2.商丘職業技術學院，河南 商丘 476000）

熱噴涂技術是一種表面強化技術，它可以在普通材料表面形成具有特殊性能的涂層，獲得各種特殊性能的涂層，從而使制品表面獲得各種特殊性能。此外，由于機械零件在長期運行中磨損、腐蝕，或因加工超差等原因而造成許多貴重零部件報廢，也可以通過熱噴涂技術方便、有效地予以修復。熱噴涂技術不僅能使零件具有耐磨、耐蝕、耐氧化、耐高溫、隔熱等不同功能，而且能使它具有復合性能，即能保護零件，又能修復零件。目前，在機械維修中，主要用于軸類零件（如：傳動軸、曲軸等）、發動機配氣機構的零部件（如：活塞頂部、活塞環、氣缸套、排氣門、閥座、凸輪、齒輪等）、各種液壓元件的零部件（如：液壓泵、液壓閥等）等的表面處理和修復。熱噴涂層的質量好壞是熱噴涂技術的關鍵環節，本文就熱噴涂層的形成過程和熱噴涂層的結構進行了分析，指出了熱噴涂層與鑄造和鍛造的均質結構的力學性能的區別，并提出了熱噴涂層的改質的方法。

1 熱噴涂層的形成

熱噴涂時，噴涂材料是呈霧狀從噴嘴噴向工件的。粉末材料加熱后可以直接噴出，絲材須先經熱熔化，再由氣流噴射成霧狀，然后從噴嘴噴出。用粉粒材料噴涂時，粉粒從噴嘴噴出后要通過熱源加熱到熔融或呈塑性狀態，同時被加速，以高速噴向工件而形成涂層。

熔融或呈塑性狀態的圓型顆粒射到工件表面即受阻變形成為扁平狀。最先射到工件表面的顆粒與工件表面的凸凹不平處產生機械結合，隨后飛來的顆粒打在先前到達工件表面的顆粒上，也同樣變形并與先前到達的顆粒互相咬合，形成機械式的結合，這種現象稱為“拋錨效應”。大量顆粒在工件表面互相擠嵌堆積起來，就形成了噴涂層。

1.1 熱噴涂層形成的過程

熱噴涂層形成的過程包括以下三個瞬間相連的環節：（1）固態涂材熔融環節。通過不同的熱源設備和加熱手段，使噴涂材料快速成為液狀或熔融狀。

（2）液態涂材霧化環節。利用高速噴射氣流，使液狀或熔融狀的材料霧化細化為微小顆粒，顆粒大小為數十微米到數百微米不等。

（3）固化形成涂層環節。將液態或熔融狀顆粒噴涂到經過預處理的基體材料表面上固化，最終形成涂層。

1.2 熱噴涂過程的顯著特點

熱噴涂過程有如下顯著特點：

（1）過程極其短暫。熱噴涂過程是在極短的時間內完成的，熱源確保噴涂材料快速而充分地熔融，高速射流使熔滴高度離散和霧化，這兩步幾乎是同時進行的。以絲材氣體火焰噴涂為例，材料從噴槍出來到基體表面所需時間，大約為0.01～0.001 s，有的噴涂時間更短。

純文學處境尷尬，意味著純文學一枝獨秀的時代早已終結，文學領域出現多聲部合唱。譬如陜西省合陽縣路井鎮農民侯永祿僅有初中文化程度，但他堅持寫了六十年日記，總計200余萬字，真實記錄了自己和村民的生存經歷，記錄了抗日戰爭到改革開放等不同時代背景下的“三農”問題。經過編輯處理，20余萬字的《農民日記》2006年由中國青年出版社出版后，數次再版。

（2）噴涂射流使熔滴高速飛行。在絲材氣體火焰噴涂時，熔滴的飛行速度高達50～80m/s，普通電弧噴槍槍口位置氣流速度達375m/s左右，高速電弧噴槍在距槍口80mm區域內保證600m/s左右的霧化氣流速度，而爆炸噴涂的射流速度高達 800～600m/s。

（3）熔滴高速碰撞到基體表面后驟停驟冷。熱噴涂涂層是由高速撞擊并聚集在基體表面上的細微顆粒組成的。噴涂的熔融顆粒在與基材撞擊時，被撞扁并在接觸的瞬間被冷卻，其過程只有10-7～10-6s，在此期間，1 cm2面積有數十到數百個顆粒與基材相撞，并形成噴涂層，而后涂層逐步加厚。

2 熱噴涂層的結構

熱噴涂層是大量合金屬顆粒在工件表面互相擠嵌堆積起來的，其顯微結構是大體平行的不均勻的疊層狀組織，疏松多孔，孔隙率高者可達25%。

母材在噴涂過程中受熱不多，升溫不高，其組織一般不會發生變化。

噴涂層與基體之間，以及噴涂層中顆粒之間主要是通過鑲嵌、咬合、填塞這種機械形式連接，其次是微區冶金結合以及化學鍵結合。也就是說，噴涂層與零件基材之間的組織連接，主要是在噴涂材料熱融狀態下的機械性結合，這是熱噴涂技術最基本的特征。

需要說明的是，關于涂層與基體之間的結合機理，還處在研究之中，目前還沒有十分統一的觀點。雖然堅持“機械結合”的觀點居多，但是“化學吸附”、“化學鍵結合”、“冶金結合”、“物理吸附”等觀點，也有一定的代表性。

順帶說明，噴焊（熔）接頭的組織，與噴涂層相比有所不同，其為致密的金屬組織。與噴涂不一樣，噴焊時氧—乙炔火焰加熱速度慢等原因，母材表面與熔融涂層直接接觸，受熱較多并有一薄層熔化，兩種材料相互深解而形成一薄層表面合金，其厚度約為60～100μm，把涂層和母材牢固地結合在一起，其作用類似釬焊。這種結合是一種冶金結合，比噴涂層牢固得多，所獲得的這種涂層就是噴焊層。熔合線附近因溫度接近熔點，會有過熱組織出現。當工藝參數正常時，對性能沒有明顯影響。

3 熱噴涂層的力學性能

熱噴涂層與鑄造和鍛造的均質結構的力學性能，有明顯區別。

3.1 結合強度

涂層與母材的結合是否牢固，關系到這種方法能否實用。從噴涂層的機械結合結構可以看到，不會有很高的結合強度，這與噴涂薄片層之間結合強度低和孔隙多有關。通常噴涂層的強度與鍛造金屬相比要低得多。例如，鋼絲抗拉強度為1000MPa左右，而同類材質的熱噴涂層則在300MPa以下。用一般合金粉噴涂時，涂層與母材間的抗拉結合強度只有19.6～29.4MPa，抗剪結合強度較高，但也只有29.4～39.2MPa。

提高工件表面的粗糙度，可以增強“拋錨效應”，從而提高結合強度，但對工件的疲勞性能不利。使用鎳鋁復合粉作底層，可以明顯提高結合強度。據測定，此時的抗拉結合強度約為29.4～39.2MPa，抗剪結合強度可高達137MPa。這樣的結合強度，可以滿足許多工件的要求。

噴焊層的情況則完全不一樣，它與母材間的結合是冶金結合，結合強度一般都有在392MPa左右，能滿足各種條件下的使用要求。因此，噴焊時多不再考慮結合強度問題。

3.2 涂層硬度

噴涂層的硬度，取決于合金粉種類和噴涂工藝。涂層的宏觀硬度值不高，一般為150～350 HB，這是由于噴涂層疏松多孔所致。涂層中合金顆粒的硬度則高得多，其值需用顯微硬度計才能測出。

噴焊層的硬度取決于合金種類。測試方法不同，硬度值差別也很大。例如噴焊301合金粉，其噴焊層的宏觀硬度為45～50 HRC；噴焊102鐵合金粉，其宏觀硬度為58～60HRC。這種硬度值，是合金粉目錄上標注的硬度，其實質上是噴焊層組織中Ni-Cr奧氏基體的硬度。

而彌散分布的硬質相的硬度，則要高得多，必須用顯微硬度計才能測出。如合金粉中含有WC，則其顯微硬度值高達2100～2900 HV，但合金粉目錄上標注的硬度值仍未變。選用合金粉時要了解這個特點。

3.3 耐磨性能

耐磨性是熱噴涂技術在機械裝備維修中所能實現的性能之一，而且效益顯著。

噴涂層宏觀硬度雖不高，但如上所述，噴涂的薄層由驟冷的顆粒構成，其微觀硬度較高，在噴涂合金涂層時，還會形成合金過飽和狀態。薄層有一層氧化膜，也是硬度高的原因之一。由于組成涂層的顆粒本身有很高的硬度，特別是涂層的孔隙可以儲存潤滑油，因而使涂層在正常潤滑的條件下，有較高的耐磨性。

但是，噴涂層在干摩擦的條件下是不耐磨的。在有沖擊或腐蝕的條件下，以及流動磨損條件下，卻表現出十分優良的耐磨性。

如用鐵基合金粉噴成的試樣，宏觀結果表明，其宏觀硬度比淬火鋼低，但耐磨性卻為后者的4.27倍。用鎳基粉噴成的試樣，宏觀硬度比淬火鋼高得不多，而耐磨性卻高9倍。其原因是噴焊合金基體上彌散分布了許多硬質相，其硬度有的比石英的硬度還要高，在磨料作用于機械零件時，這些硬質相可以保護基體，使整個噴焊合金不致快速磨損，從而顯得耐磨。

此外，噴焊合金中由于含有較多的鎳和鉻，在腐蝕磨損、高溫磨損和沖刷式磨料磨損條件下，都有較好的耐磨性。

3.4 疲勞性能

研究表明：熱噴涂過的多數機械零件，其疲勞性能要下降。主要原因是噴前的粗糙化處理，對機械零件表面造成了損傷。同時涂層內往往存在的殘余拉應力，也會有一定影響。但疲勞強度降低的幅度不大，一般情況下無明顯影響。

4 熱噴涂層的改質

如上所述，為保證噴涂層的性質和質量，應該控制涂層的孔隙率。通常，噴涂過程中噴涂顆粒溫度低、噴涂速度慢時，往往使涂層的孔隙增大。

為了增加結合力，減少孔隙率，縮小噴涂層和噴涂材料的差別，可使用各種方法對涂層進行改質，諸如減壓熱噴涂法，用高頻把涂層加熱的熔融法，以及把熱噴涂與其他表面處理結合的方法。

用激光束或電子束照射熱噴涂層，對涂層的改質很有效。經過照射的涂層，可以完全消除孔隙。但若工件尺寸較大、形狀不規則時，用這種方法處理，會使涂層有產生開裂的危險。

如何控制孔隙率，是熱噴涂技術研究的一個重要方向。各種改質方法都有長處和短處，有許多問題還有待解決。

5 結束語

提高涂層質量不是單方面的問題，它本身就不能與工藝、材料、裝備等分開。材料的成份是千變萬化的，無論金屬及其合金，陶瓷和塑料，材料的發展內容都非常豐富，新材料在不斷出現，特別是復合材料的發展尤為迅速。進一步提高結合強度和其它性能指標仍然是熱噴涂工作者今后需進一步研究的課題之一。