基體溫度對超音速火焰噴涂NiCr-Cr3C2涂層性能的影響

鳳國保，李志忠，王幸福

（1.安徽省威龍再制造科技股份有限公司，安徽馬鞍山 243000；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所，安徽合肥 230031）

引言

熱噴涂NiCr-Cr3C2涂層具有優(yōu)異的耐磨損、耐腐蝕、抗高溫氧化等綜合性能，廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵部件的表面強化或尺寸修復(fù)，如柴油機缸套、銅結(jié)晶器及沉沒輥防護、鍋爐四管的抗高溫氧化腐蝕器件等。超音速火焰噴涂（HVOF）工藝火焰溫度適中，粒子飛行速度高，在火焰中停留時間短[1]，因此，HVOF方法制備的NiCr-Cr3C2等涂層具有氧化燒損低、結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合強度高等優(yōu)點[2-3]，目前已成為金屬陶瓷涂層優(yōu)先選用的制備方法[1]。

然而，受限于熱噴涂技術(shù)特點，HVOF涂層因貼片沉積不可避免會形成層狀結(jié)構(gòu)[2]，同時因淬火效應(yīng)以及應(yīng)變失配造成的殘余應(yīng)力[4]，將嚴重影響界面強度及其力學(xué)性能，進而影響涂層的使用性能。研究表明，熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)及其性能取決于噴涂粒子在基體表面的貼片沉積以及貼片間的結(jié)合情況，而其又與噴涂粒子尺寸結(jié)構(gòu)、制備工藝以及基體特征等密切相關(guān)。關(guān)于HVOF噴涂粉體選擇[5]、工藝參數(shù)[6]優(yōu)化、基體粗化處理[7]等問題，已有大量研究，而基體預(yù)熱溫度等前處理環(huán)節(jié)則關(guān)注較少。實際上，在等離子噴涂、電弧噴涂、激光熔覆等工藝中，基體溫度對涂層界面狀態(tài)以及涂層質(zhì)量的影響作用已有大量討論[8-10]，這些工藝的特點是在涂層制備過程中，噴涂粒子溫度較高，幾乎處于完全熔融狀態(tài)，較高的基體預(yù)熱溫度有利于噴涂熔滴的鋪展。

HVOF噴涂工藝獲得的焰流溫度適中，噴涂粒子為微熔或半熔狀態(tài)，且速度較高，其沉積機制介于冷噴涂（依賴高速碰撞下固態(tài)粒子塑性變形）與高溫噴涂（如等離子噴涂，熔融粒子鋪展）之間，因此，研究基體溫度對HVOF金屬陶瓷涂層性能的影響機制具有重要意義。筆者通過分析不同基體溫度條件下制備的HVOF NiCr-Cr3C2涂層的界面形貌、涂層硬度、結(jié)合強度、熱震性能等，有望闡明其作用機制，為工程實踐提供指導(dǎo)。

1 實驗材料

基體材料為316L不銹鋼，尺寸為80 mm×80 mm×10 mm；噴涂材料為NiCr-Cr3C2合金粉末，具體信息如下：

材料牌號：1375VM；

材料成分：Cr3C2-25NiCr；

粉體粒度：15～45 μm；

生產(chǎn)廠家：PRAXAIR SURFACE TECHNOLOGIES。

1375VM型NiCr-Cr3C2合金粉為HVOF常用的團聚燒結(jié)型粉體，形貌如圖1所示。該類型粉體材料，為球形多孔結(jié)構(gòu)，以保證其在HVOF噴涂過程中受熱均勻，具有較好的流動性，獲得的涂層性能優(yōu)于傳統(tǒng)的機械混合粉。

圖1 團聚燒結(jié)型NiCr-Cr3C2合金粉

2 HVOF涂層制備

將316L不銹鋼基材經(jīng)過去脂、去離子水漂洗、超聲波清洗、烘干處理后，采用24#熱噴涂專用金剛砂進行粗化處理，表面粗糙度Ra7～9。將基體試樣置于可控箱式電阻爐內(nèi)加熱到指定溫度，然后立即取出來進行噴涂，基體預(yù)熱溫度分別為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃。采用JP8000超音速噴涂設(shè)備制備NiCr-Cr3C2涂層，具體工藝參數(shù)如下：

噴涂材料：NiCr-Cr3C2；

氧氣流量（SCFH）：1850；

煤油流量（LPH）：22.71；

載氣（SCFH）：9.9；

送粉（RPM）：5；

噴涂距離（mm）：360；

槍嘴長度（In）：6。

3 涂層表征與測試

利用SU8020型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察NiCr-Cr3C2粉體的顆粒形貌；采用Zeiss A10X金相顯微鏡觀察基體-涂層的界面結(jié)合情況，并對涂層厚度進行統(tǒng)計分析，取5組數(shù)據(jù)的平均值；利用HV-1000A型顯微硬度計測試基體-涂層顯微硬度分布（載荷300 g，保持時間15 s），為避免壓痕殘余應(yīng)力場的影響，至少相隔40 μm取一測量點，至少測試3組數(shù)據(jù)；采用X’Pert Pro MPD型X射線衍射儀（XRD，Cu Kα）測量涂層的殘余應(yīng)力；采用洛式壓痕方法（載荷150 kg，保持時間15 s）表征涂層與基體結(jié)合性能；采用熱震法（800℃水淬，中間保溫10 min）考察涂層的熱疲勞行為。

4 涂層與基體界面形貌

圖2是不同基體預(yù)熱溫度下涂層截面形貌圖。可以看出，隨著基體預(yù)熱溫度升高，涂層與基體結(jié)合越來越緊密。基體溫度為50℃時，可觀察到涂層與基體之間貼合程度不足，即界面沉積處的噴涂粒子難以填滿基體因噴砂形成的空隙，且在平緩交界處存在明顯的界面分層現(xiàn)象，這主要是由于基體表面水膜蒸發(fā)形成的反沖力作用以及到達基體上的微熔或半熔粒子快速凝固而來不及扁平化所致[17]。當(dāng)基體溫度在100℃以上時，其表面吸附形成的水膜絕大部分會蒸發(fā)掉，再加上基體材料熱物理性能的改善，噴涂粒子的扁平化程度增大，界面空隙與分層現(xiàn)象逐漸減少，涂層與基體間結(jié)合程度越來越緊密。基體預(yù)熱溫度達到200℃時，可以發(fā)現(xiàn)界面處涂層能較好地貼合基體表面，表現(xiàn)出較好的機械咬合效應(yīng)。

圖2 不同基體預(yù)熱溫度下涂層截面相形貌圖

5 涂層沉積率

采用同樣的噴涂工藝，在不同基體溫度試樣上得到的涂層，其沉積率統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨基體預(yù)熱溫度提高，沉積率有所升高。當(dāng)基體預(yù)熱溫度高于150℃后，涂層沉積率變化不大。吳姚莎[17]等在研究基體溫度對電弧噴涂涂層影響實驗中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，并認為這主要是由于預(yù)熱溫度較低時，基體表面在噴砂后易于吸附空氣中的水蒸氣，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生一層極薄的水膜，噴涂過程中，水膜受到噴涂熱流而汽化，形成強大的反沖氣壓，從而使一部分噴涂粒子不能到達基體表面，致使沉積率降低，涂層厚度受到一定影響。當(dāng)基體溫度增加到150℃時，其表面吸附形成的水膜絕大部分會蒸發(fā)掉，因此噴涂粒子扁平化程度增強，涂層沉積率均有增大。基體溫度繼續(xù)上升，吸附的水膜基本消失，涂層沉積率等數(shù)值不再發(fā)生顯著變化。

圖3 基體預(yù)熱溫度對HVOF涂層沉積率的影響

6 涂層硬度分析

采用顯微硬度計對基體-涂層截面進行硬度分析，如圖4所示。可以看出，不同基體預(yù)熱溫度條件下獲得的涂層，其硬度值相差不大，而界面處以及界面附近硬度有較大差異（圖4左），顯然，這與界面結(jié)合情況有關(guān)。基體預(yù)熱溫度較低，如50℃時，因此涂層與基體結(jié)合處空隙較多，平均硬度值最低；高于100℃，界面結(jié)合更為致密，平均硬度提高。原因在于，當(dāng)基體預(yù)熱溫度較低時，基體-涂層結(jié)合力較弱，當(dāng)硬度計壓頭壓入基體-涂層界面處時，易產(chǎn)生裂紋，進而降低了硬度值，如圖4右所示。

圖4 基體-涂層硬度分布及試樣界面處硬度分析形貌

7 涂層殘余應(yīng)力分析

熱噴涂過程中因涂層高溫淬火以及組織失配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對涂層結(jié)合強度、熱疲勞性能等具有重要影響[19]。采用XRD方法測量涂層的殘余應(yīng)力，進行計算分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 基體溫度對涂層殘余應(yīng)力的影響

可以看出，隨著基體的溫度的提高，涂層表層殘余應(yīng)力逐漸減小，這是因為基體的溫度適當(dāng)升高，降低了沉積層與基體之間的溫差以及材料熱物性能的差異，減小了彼此間的相互作用力，有利于提高涂層的結(jié)合強度。根據(jù)分析結(jié)果，HVOF涂層表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，這對于提升熱噴涂涂層的疲勞性能具有一定積極作用。

8 涂層結(jié)合強度分析

采用洛式壓痕法，觀察壓痕周圍涂層宏觀開裂情況，定性分析涂層與基體的結(jié)合強度，壓痕形貌如圖6所示。

可以看出，基體預(yù)熱溫度為50℃時，HVOF涂層裂紋最為明顯。隨基體預(yù)熱溫度提升，涂層壓痕周邊裂紋擴展等級變小，200℃以上時，涂層壓痕處無較大裂紋生成，表明其與基體的結(jié)合情況較好，這是因為涂層表層中存在殘余壓應(yīng)力，在一定程度上可促進涂層中裂紋的閉合，并改善疲勞性能，但基體溫度較低時，殘余壓應(yīng)力過大，可能會導(dǎo)致涂層粘附性失效，引起開裂剝落[20]，從而使基體溫度在200℃左右時表現(xiàn)出最高的結(jié)合強度。

圖6 150 kg載荷下洛式壓痕形貌圖

9 涂層熱震分析

采用熱震法（800℃水淬，中間保溫10 min）檢測涂層的熱疲勞行為，經(jīng)反復(fù)淬火40次后，其截面形貌如圖7所示。

圖7 熱震試驗后（40次）涂層截面金相圖

由淬火熱應(yīng)力分析可知，熱震使涂層由外向里產(chǎn)生熱應(yīng)變梯度，形成垂直于表面的裂紋。基體溫度為50℃條件下獲得的HVOF涂層，開裂最為明顯，裂紋貫穿整個涂層截面，表明其抗熱疲勞性能較差。相關(guān)研究[21]表明，熱震試驗中，界面在交變熱應(yīng)力作用下易萌發(fā)疲勞裂紋，因此，基體預(yù)熱溫度較低時，涂層界面缺陷較多，且涂層表面殘余應(yīng)力較大，從而使其產(chǎn)生較多宏觀裂紋。當(dāng)預(yù)熱溫度不斷提高，涂層表面殘余應(yīng)力降低，且涂層界面結(jié)合性能改善，因此在熱震實驗中表現(xiàn)出更好的抗開裂能力。

10 結(jié)論

（1）隨基體預(yù)熱溫度上升，噴涂粒子扁平化程度加大，界面結(jié)合更加致密，涂層沉積率略有提高，150℃以上，變化不大。

（2）隨基體預(yù)熱溫度升高，涂層殘余應(yīng)力降低，洛氏壓痕實驗表明，基體預(yù)熱溫度為200℃時，涂層與基體的結(jié)合強度最高，這與涂層中適度的殘余壓應(yīng)力有關(guān)。

（3）隨基體預(yù)熱溫度升高，涂層熱疲勞性能有所增強，這與涂層殘余壓應(yīng)力降低以及基體-涂層界面結(jié)合性能提升有關(guān)。