HVOF 制備鋁青銅涂層工藝優(yōu)化及工藝參數(shù)對涂層性能的影響

史周琨，徐麗萍，張吉阜，肖根升，鄧春明，宋進(jìn)兵，劉敏，胡永俊

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510006；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所a.現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室 b.廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，廣州 510651；3.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

在工程應(yīng)用中，鋁青銅作為一類新型的青銅合金，備受關(guān)注。鋁青銅主要由銅、鋁元素組成，具有良好的耐磨耐蝕性能、優(yōu)異的導(dǎo)熱性、較高的強(qiáng)度和塑性[1-2]。鋁青銅在機(jī)械制造、電器制造及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于其優(yōu)異的減摩耐磨性能，常被作為耐磨材料[3-6]。但是銅基合金價格較高，大規(guī)模的加工使用時，成本較高。因此，采用表面工程技術(shù)在加工完成的部件表面制備一層鋁青銅涂層，既可以發(fā)揮鋁青銅優(yōu)良的減摩耐磨性能，又可以減少鋁青銅的使用量，降低成本[7-8]。比如美國GE 公司在鋁合金汽車發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁將鋁青銅作為耐磨與抗微動磨損涂層使用，成功替換了傳統(tǒng)嵌套灰鑄鐵缸套的方式。

表面工程技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其中熱噴涂技術(shù)在表面防護(hù)和強(qiáng)化方面占有重要地位，用于制備各類功能性涂層（如耐磨涂層、耐蝕涂層、熱障涂層和環(huán)境障涂層等）。楊杰等[9]采用大氣等離子噴涂制備鋁青銅涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的相組成均為α 相和β′相。α 相可以抑制粒子脆性斷裂，而脆性β′相可以使涂層有更高的硬度。Li 等[10]選用摻雜Ce 元素的多元鋁青銅合金粉末，利用等離子噴涂技術(shù)在鋼基體上制備了鋁青銅涂層，涂層中含有大量β′相，無Ce 元素涂層顯微硬度為(281.5±8.0)HV，隨Ce 元素含量的增加，涂層硬度增加。大氣等離子噴涂具有焰流溫度高、穩(wěn)定性好的特點，可以噴涂絕大部分涂層材料，但是其焰流速度較低，導(dǎo)致涂層的孔隙率較高。超音速火焰噴涂技術(shù)（High Velocity Oxygen Fuel, HVOF）是利用煤油和氧氣按比例混合燃燒后形成的高速焰流，將噴涂粉末噴射至預(yù)處理的基體表面，形成涂層[11-12]。與大氣等離子噴涂相比，HVOF 的焰流溫度更低，焰流速度更高，可以依靠粉末粒子在焰流中獲得的動能，與基體形成機(jī)械咬合，所制備涂層更致密，結(jié)合強(qiáng)度更高，非常適合噴涂鋁青銅這類低熔點的噴涂材料[13-16]。目前關(guān)于采用HVOF制備鋁青銅涂層的工藝探索和涂層基本性能的報道甚少。

綜上所述，為探索HVOF 制備鋁青銅涂層的最佳工藝參數(shù)，本研究選用鑄造鋁合金為基體材料，采用超音速火焰噴涂技術(shù)，以煤油流量、氧氣流量、送粉速率和噴涂距離為主要工藝參數(shù)，設(shè)計4 因素3 水平正交實驗，研究上述工藝參數(shù)對涂層孔隙率、厚度、顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度的影響，從而獲得最佳的工藝條件。

1 實驗

1.1 涂層材料

實驗選用ZL114A 鋁合金為基材，噴涂粉末原料為鋁青銅粉末，主要由Cu 和Al 組成，粉末粒徑為19～44 μm。實驗用鋁青銅粉末的微觀形貌如圖1 所示。完整圓潤的球形保證了鋁青銅粉末具備良好的流動性，使其能被均勻地送入噴槍，粉末在噴涂過程中處于很好的熔化狀態(tài)。

圖1 鋁青銅粉末的微觀形貌Fig.1 SEM of albronze powder morphology

1.2 涂層制備

實驗采用德國GTV 公司K2 超音速火焰噴涂設(shè)備制備涂層，煤油作為燃料，氧氣作為助燃劑，氮氣為送粉載氣。涂層制備前，選用42 目鋯剛玉，在氣壓為0.3 MPa 下，對鋁合金基材進(jìn)行噴砂處理，以增加基材的表面粗糙度，提高涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。

本文選取對涂層質(zhì)量影響較大的煤油流量、氧氣流量、送粉速率和噴涂距離這4 個參數(shù)，設(shè)計4 因素3 水平共9 組正交實驗。實驗過程中，其他噴涂工藝參數(shù)保持不變，噴涂次數(shù)一致，均為10 次。實驗選用的正交實驗工藝參數(shù)見表1。

表1 正交實驗工藝參數(shù)Tab.1 Orthogonal experimental design

1.3 涂層性能表征

采用X 射線衍射儀（Bruker 公司D8-Advance，德國）對噴涂粉末和涂層相結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，測試時采用Cu Kα 靶，掃描步長為0.02 (°)/s，掃描范圍2θ為10°～90°。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Nove-Nano-430）觀察涂層的截面形貌和進(jìn)行能譜分析，并測量涂層厚度。利用ImageJ 軟件對孔隙率進(jìn)行測量。

將不同工藝參數(shù)下的涂層截面制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)磨拋處理后，采用顯微硬度計（MH-5D）對涂層截面進(jìn)行顯微硬度的測量。測量時，載荷為300 g，保壓15 s。每種涂層取5 個隨機(jī)位置測量，取其平均值作為涂層的顯微硬度。利用電子萬能試驗機(jī)（GPTS2000M），參照GB/T 8642—2002《熱噴涂 抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測定》進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試。測試前，用酒精對噴涂態(tài)的涂層樣品進(jìn)行清潔，除去表面灰塵雜質(zhì)。每種涂層測5 個平行試樣，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層的物相分析

鋁青銅粉末和制備態(tài)涂層的XRD 圖譜見圖2。從XRD 圖譜中分析可知，粉末和涂層的相組成一致，均為α 相和β′相，表明粉末在噴涂過程中沒有發(fā)生相變。由表2 粉末和涂層的EDS 結(jié)果可知，涂層和粉末中均以Cu、Al 為主，同時含有少量Co 和N 元素，且原子含量基本一致，可進(jìn)一步說明粉末和涂層的成分一致。其中，α 相是面心立方結(jié)構(gòu)，為Cu 的固溶體，其硬度偏低，但塑性性能優(yōu)異；β′相為斜方晶系的點陣結(jié)構(gòu)，是以Cu3Al 為基的固溶體，其硬度高，塑性差[9,17]。對比衍射峰的相對強(qiáng)度，涂層中α 相和β′相的衍射峰強(qiáng)度有明顯的降低，甚至消失。在40°～50°出現(xiàn)寬泛漫散射峰[18-19]，表明在超音速火焰噴涂過程中，焰流溫度較低，但速度很快，粉末在焰流中充分受熱熔化，沒有發(fā)生氧化現(xiàn)象。熔融粉末顆粒撞擊基體后，迅速冷卻，在涂層中有非晶相生成[20]。

圖2 鋁青銅粉末和正交實驗制備態(tài)涂層的XRD 圖譜Fig.2 The XRD spectra of powder and orthogonal experimental coatings

表2 粉末和涂層的EDS 結(jié)果Tab.2 EDS results of powder and orthogonal experimental coatings %

2.2 涂層的截面形貌及微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3 為正交實驗中各參數(shù)下鋁青銅涂層的截面形貌。由圖3 可知，涂層均勻致密，未發(fā)現(xiàn)未熔顆粒，涂層與基體結(jié)合良好，無明顯缺陷，表明粉末在噴涂過程中充分熔融。對比圖3 中各涂層截面形貌可知，不同參數(shù)下制備的鋁青銅涂層，其孔隙率和涂層厚度有明顯的不同。對孔隙率和涂層厚度進(jìn)行測量，結(jié)果如圖4 所示。2#、9#和5#試樣的涂層孔隙率相對較低，分別為0.22%、0.26%、0.34%。涂層厚度反映了噴涂的沉積速率，涂層越厚，沉積速率越高。5#、7#和 3#試樣的涂層厚度相對較大，分別為 816.96、625.96、602.73 μm，表明5#、7#和3#試樣的涂層沉積速率高。

圖3 涂層截面形貌Fig.3 Cross-sectional morphologies of the HVOF-sprayed coatings

圖4 不同參數(shù)下鋁青銅涂層的孔隙率和涂層厚度Fig.4 Porosity and thickness of coatings with different process parameters

2.3 涂層的力學(xué)性能

圖5 為不同參數(shù)下鋁青銅涂層的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度。在實際的工程應(yīng)用中，結(jié)合強(qiáng)度直接影響涂層的使用性能和壽命。結(jié)合強(qiáng)度越低，涂層越容易從基體上剝落下來。由圖5 可知，7#、9#和5#試樣的涂層有較高的結(jié)合強(qiáng)度，分別為74.7、71.7、59.3 MPa。涂層顯微硬度是評價其耐磨性能的重要指標(biāo)，顯微硬度越高，涂層耐磨性越好。5#、9#和6#試樣的涂層有較高的顯微硬度，分別為298.97、291.22、282.65 HV0.3。其中，5#和9#試樣兼具較高的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度，并且有較低的孔隙率和較高的沉積速率。綜上所述，5#和9#試樣的涂層綜合性能最好。

圖5 不同參數(shù)下鋁青銅涂層的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度Fig.5 Bonding strength and microhardness of coatings with different process parameters

2.4 實驗分析

正交實驗所得各試樣的涂層性能測試結(jié)果見表3。為獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，采用極差分析法（R法）處理孔隙率、涂層厚度、結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度4種數(shù)據(jù)[21]，并分析不同工藝參數(shù)對各性能的影響。

表3 正交實驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal test results

表4 為正交實驗下各試樣涂層孔隙率的極差分析。由表4 可知，4 種噴涂工藝參數(shù)對涂層孔隙率影響的重要程度依次為：送粉速率＞氧氣流量＞噴涂距離＞煤油流量。使涂層孔隙率達(dá)到最優(yōu)值的工藝組合為A3B2C2D1，即煤油流量為22 L/h，氧氣流量為900 L/min，送粉速率為80 g/min，噴涂距離為200 mm。

表4 孔隙率極差分析Tab.4 Range analysis table for porosity

圖6 為不同噴涂工藝參數(shù)與涂層孔隙率的關(guān)系。由圖6 可知，涂層孔隙率與煤油流量和噴涂距離基本呈線性關(guān)系。涂層孔隙率隨煤油流量的增加而降低，隨噴涂距離的增加而增加。煤油流量和氧氣流量會影響火焰燃料和助燃劑氧氣的化學(xué)計量比，進(jìn)而影響涂層的孔隙率。高煤油流量和低氧氣流量會使氧油比更低，當(dāng)保證火焰充分燃燒時，氧油比越低，火焰溫度越高。因此，在氧氣流量不變的情況下，煤油流量的增加會使氧油比降低，進(jìn)而提高火焰溫度，使噴涂粉末熔融更加充分，降低涂層孔隙率。噴涂距離較近時，焰流中心熔融充分的粉末直接沖擊基體，均勻鋪展，形成致密涂層。當(dāng)噴涂距離增加時，焰流中心外側(cè)會有未熔或半熔融狀態(tài)的粉末，這些粉末沖擊基體后，形成扁平層狀物，使得涂層內(nèi)部形成不連續(xù)孔隙[22]。

圖6 噴涂工藝參數(shù)與涂層孔隙率的關(guān)系Fig.6 Relationship between spraying process parameters and the porosity of coatings

表5 為正交實驗下各試樣涂層厚度的極差分析。實驗中，每種工藝的噴涂次數(shù)相同，通過涂層厚度來反映各工藝的沉積速率，即涂層厚度值越大，說明該工藝的沉積速率越高。由表5 可知，4 種噴涂工藝參數(shù)對涂層厚度影響的重要程度依次為：送粉速率＞噴涂距離＞氧氣流量＞煤油流量。使涂層厚度達(dá)到最優(yōu)值的工藝組合為A1B2C3D1，即煤油流量為18 L/h，氧氣流量為900 L/min，送粉速率為100 g/min，噴涂距離為200 mm。

表5 厚度極差分析Tab.5 Range analysis table for thickness

圖7 為不同噴涂工藝參數(shù)與涂層厚度的關(guān)系。由圖7 可知，涂層厚度與煤油流量、送粉速率和噴涂距離呈線性關(guān)系，涂層厚度隨煤油流量的增加而降低，隨送粉速率的增加而增加，隨噴涂距離的增加而減小。由上述可知，煤油流量的增加會使氧油比降低，提高火焰溫度，使噴涂粉末熔融更加充分。熔融充分的粉末在高速下沖擊基體，會發(fā)生熔滴的濺射，熔融粉末會有所消耗，使涂層厚度減小。但由圖7 可知，煤油流量對厚度的影響很小。送粉速率指單位時間內(nèi)送入焰流中的粉末多少，送入焰流中的粉末越多，沉積的涂層越厚。噴涂距離的增加，會導(dǎo)致更多焰流中心外側(cè)的熔融粉末被高速焰流吹跑，而無法沉積在基體形成涂層，因此噴涂距離越遠(yuǎn)，涂層厚度越薄。

圖7 噴涂工藝參數(shù)與涂層厚度的關(guān)系Fig.7 Relationship between spraying process parameters and the thickness of coatings

表6 為正交實驗下各試樣涂層顯微硬度的極差分析。由表6 可知，4 種噴涂工藝參數(shù)對涂層顯微硬度的影響重要程度依次為：噴涂距離＞煤油流量＞氧氣流量＞送粉速率。使涂層顯微硬度達(dá)到最優(yōu)值的工藝組合為A2B2C2D1，即煤油流量為20 L/h，氧氣流量為900 L/min，送粉速率為80 g/min，噴涂距離為200 mm。

表6 顯微硬度極差分析Tab.6 Range analysis table for microhardness

圖8 為不同噴涂工藝參數(shù)與涂層顯微硬度的關(guān)系。由圖8 可知，顯微硬度與噴涂距離呈線性關(guān)系，隨噴涂距離的增加而減小?？紫堵史从沉送繉拥闹旅芮闆r，間接影響涂層的顯微硬度，孔隙率越低，涂層越致密，顯微硬度越高。由前述可知，噴涂距離影響涂層的孔隙率，噴涂距離越近，孔隙率越小，涂層相應(yīng)越致密，顯微硬度越高。

圖8 噴涂工藝參數(shù)與涂層顯微硬度的關(guān)系Fig.8 Relationship between spraying process parameters and the microhardness of coatings

表7 為正交實驗下各試樣的涂層結(jié)合強(qiáng)度極差分析。由表7 可知，四種噴涂工藝參數(shù)對涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響重要程度依次為：煤油流量＞噴涂距離＞氧氣流量＞送粉速率。使涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值的工藝組合為A3B1C3D1，即煤油流量為22 L/h，氧氣流量為850 L/min，送粉速率為100 g/min，噴涂距離為200 mm。

表7 結(jié)合強(qiáng)度極差分析Tab.7 Range analysis table for bonding strength

圖9 為不同噴涂工藝參數(shù)與涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系。由圖9 可知，結(jié)合強(qiáng)度與煤油流量、送粉速率和噴涂距離呈線性關(guān)系，隨煤油流量、送粉速率的增加而增大，隨噴涂距離的增加而降低。涂層中孔隙的存在會加劇裂紋的擴(kuò)展，降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度。由前述可知，煤油流量增加和噴涂距離減小，會使涂層孔隙率減少，進(jìn)而提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度[23-24]。由表7可知，送粉速率對涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響最小，在合適的送粉速率范圍內(nèi)，隨送粉速率的增加，粉末的熔融狀態(tài)越好，與基體的結(jié)合強(qiáng)度越好。

圖9 噴涂工藝參數(shù)與涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系Fig.9 Relationship between spraying process parameters and the bonding strength of coatings

4 種噴涂工藝參數(shù)對涂層性能和沉積速率的影響程度不同，不同的指標(biāo)對應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)也不同，因此需要綜合分析各個工藝參數(shù)對不同指標(biāo)的影響，才能獲得最優(yōu)工藝。送粉速率對涂層孔隙率和涂層厚度的影響最大，水平參數(shù)分別取C2 和C3。由表3和表4 可知，與C2 相比，C3 的涂層孔隙率增加了51.5%，涂層厚度增加了32.1%。涂層孔隙率受送粉速率影響更大，所以送粉速率取C2 更好。噴涂距離對涂層顯微硬度影響最大，水平參數(shù)取D1 更好。煤油流量對涂層結(jié)合強(qiáng)度影響最大，水平參數(shù)取A3 更好。氧氣流量不是影響涂層各性能指標(biāo)的主要因素，針對孔隙率、厚度和顯微硬度，取水平因素B2 更好；針對結(jié)合強(qiáng)度，取水平因素B1 更好。綜合考慮，氧氣流量取水平因素B2 最優(yōu)。綜上所述，最優(yōu)參數(shù)為A3B2C2D1，即煤油流量為 22 L/h，氧氣流量為900 L/min，送粉速率為80 g/min，噴涂距離為200 mm。

為驗證最優(yōu)噴涂工藝的可靠性，采用最優(yōu)工藝制備鋁青銅涂層，噴涂次數(shù)仍為10 次，測得涂層孔隙率為0.10%，結(jié)合強(qiáng)度為61.63 MPa，顯微硬度為330.33HV0.3，厚度為405.43 μm。該工藝下制備的涂層，孔隙率和顯微硬度明顯提高，優(yōu)于正交實驗中的全部結(jié)果，說明涂層質(zhì)量得到提高；結(jié)合強(qiáng)度較為優(yōu)異，僅略低于正交實驗中的7#和9#試樣；其涂層厚度較低，但是涂層厚度主要與沉積速率有關(guān)，對涂層質(zhì)量影響較小。

3 結(jié)論

1）利用超音速火焰噴涂在鋁合金基體表面制備的鋁青銅涂層，主要由α 和β′相組成，α 相為Cu 的固溶體，β′相是Cu3Al 為基的固溶體，與噴涂粉末相比，未發(fā)生相變。

2）在噴涂次數(shù)相同的前提下，不同工藝參數(shù)對涂層孔隙率、厚度、結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度的影響程度不同。在本研究選取的工藝參數(shù)中，送粉速率對涂層厚度和孔隙率影響程度最大，噴涂距離對涂層顯微硬度影響程度最大，煤油流量對結(jié)合強(qiáng)度影響程度最大。

3）正交實驗結(jié)果表明，采用超音速火焰噴涂技術(shù)在鋁合金基體上制備鋁青銅涂層的最佳噴涂工藝參數(shù)：煤油流量為22 L/h，氧氣流量為900 L/min，送粉速率為80 g/min，噴涂距離為200 mm。