爆炸噴涂涂層厚度及其過程控制對涂層性能的影響

楊豐雷

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，沈陽 110043）

1 概述

微動磨損廣泛存在于航空發(fā)動機多個結構和零件中，例如滾動軸承、鉚接件、螺桂聯(lián)接件、榫槽、鍵、銷、錐套等零件。為了提高零部件的耐磨損性能，通常采用熱噴涂工藝在零部件的表面制備耐磨涂層。氣體爆炸噴涂工藝因其制備的涂層致密度高，與基體結合力強而成為制備耐磨、耐蝕層的優(yōu)選工藝，主要用于航空、航天和軍事等尖端領域。

氧-可燃氣的爆炸噴涂工藝是利用氧和可燃氣混合氣體在點火爆炸時產生的高溫（達3400℃）和強烈的沖擊波將粉末材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，并以高速（最高達1300m/s）噴射到基體表面上。粉末粒子的動能迅速轉變?yōu)闊崮?，使局部溫度瞬間可達4000℃左右，然后迅速冷卻（104～106℃/s），在基體表面形成高強度和高致密的涂層。對于制備高硬度的耐磨涂層，爆炸噴涂工藝簡單、運行成本低。國內目前采用爆炸噴涂工藝制備碳化物耐磨涂層，涂層厚度一般為0.20mm～0.30mm。本文采用爆炸噴涂工藝制備含氟化物的碳化鉻/鎳鉻涂層，進行如下噴涂工藝試驗：（1）一次性噴涂涂層，進一步驗證碳化鉻涂層的最佳厚度；（2）在涂層噴涂一定厚度后，冷卻12h后再進行爆炸噴涂，驗證涂層補噴的可行性；（3）對經過上述兩種試驗噴涂的性能試片進行檢測及對比分析，研究涂層厚度對涂層力學性能的影響，同時探索為了增加涂層厚度，在冷卻時間過長的涂層表面上再噴涂涂層對涂層性能的影響機理。

表1 鎳鉻/碳化鉻粉末性能測試結果

表2 Cr3C2－NiCr粉末爆炸噴涂參數(shù)

表3 Cr3C2－NiCr涂層力學性能檢測結果

2 試驗

2.1 材料與設備

（1）材料。噴涂試樣的基體材料為1Cr18Ni9Ti，屬于不銹鋼。噴涂材料為Cr3C2－NiCr粉末。粉末性能測試結果如下所示，粉末形貌如圖1所示：

（2）設備。噴涂所用設備為俄羅斯制造的氣體爆炸噴涂系統(tǒng)，以氧氣和乙炔氣作為爆炸氣體，壓縮空氣作為送粉氣。

涂層的顯微組織觀測采LEICA金相顯微鏡。

涂層結合強度采用電子拉力試驗機。

涂層硬度測量采用表面洛氏硬度機及顯微硬度機。

2.2 噴涂工藝試驗

本文采用的爆炸噴涂設備采用氧氣、乙炔做為燃燒源，氮氣為送粉氣體，通過對上述噴涂粉末進行多批次的工藝試驗并對涂層性能進行檢測分析，確定了北京鋼冶研究總院生產的Cr3C2－NiCr粉末爆炸噴涂工藝參數(shù)，如下所示：

圖1 Cr3C2－NiCr噴涂粉末形貌

圖2 Cr3C2－NiCr涂層顯微組織形貌

圖3 Cr3C2－NiCr涂層顯微組織形貌

3 試驗結果與分析

采用已確定的爆炸噴涂工藝參數(shù)進行Cr3C2－NiCr涂層的制備，涂層厚度為0.35mm。涂層顯微組織結果如圖2所示，其他力學性能如表3所示。

爆炸噴涂的Cr3C2－NiCr涂層，涂層成波流狀，其間存在氧化物及孔洞。涂層與基體界面結合良好，但隨著涂層厚度的增加，涂層組織逐漸疏松，力學性能降低，所以該涂層最佳厚度為0.4mm以內。對噴涂后涂層試片在大氣環(huán)境下放置12h以上后，在涂層表面繼續(xù)噴涂涂層。涂層顯微組織如圖3所示。

對噴涂兩層的微觀組織形貌進行分析。兩層涂層最終厚度為0.6mm，涂層組織由不規(guī)則扁平狀相基體和彌散分布于其中的Cr3C2顆粒與少量的氧化物組成。涂層與基體的界面為不規(guī)則的凹陷和凸起結構，兩者結合緊密。涂層內部大量的碳化物和少量氧化物硬質相的存在、涂層自身結構致密，以及與基體合金的緊密結合無疑是有涂層試樣耐磨性能明顯優(yōu)異的最根本的原因。在放置12h后的涂層上再進行噴涂涂層，從圖中明顯觀察到兩層涂層中有一條過渡帶，與兩側涂層組織并不相同，此條過渡帶是在噴涂第二層的過程中形成。過渡帶的形成，首先必須明確爆炸噴涂機理。爆炸噴涂過程中，粉末粒子地速度高達1200m/s以上。燃氣爆炸產生強大地沖擊波，使動能極大的高溫粒子撞向基體，將能量傳給基體表面，使基體表面活化性能提高，活化原子增多。這樣基體部分活化原子和高能量的粉末粒子形成新的原子集團，產生冶金結合，因此涂層結合強度較高。而在陶瓷涂層的上面再噴涂第二層時，由于陶瓷涂層本身比金屬基體的熔化溫度更高，在第二層的噴涂過程中，第一層變形較差，同時由于爆炸噴涂溫度較低，在兩層涂層的界面上將會產生未熔顆粒層。

對噴涂兩層的試片進行熱震等破壞性加速試驗，對試樣進行金相分析，可以發(fā)現(xiàn)涂層失效位置都是在過渡帶。所以對于進行修理的零件涂層，不可為了減少去除涂層的費用而盲目在涂層上增加厚度。同時，不同類型的涂層也不能一概而論，所以需對各種類型的涂層材料及涂層工藝開展更為細致的研究。著力于使噴涂工藝、噴涂材料和涂層性能之間的有效配合，滿足零件涂層性能日益增長的需要。

4 結論

（1）采用爆炸噴涂工藝制備Cr3C2－NiCr涂層，爆炸噴涂涂層組織細密，呈河流狀層片分布，并且硬度均勻。與基體結合強度高。（2）碳化鉻涂層厚度增加，相應涂層力學性能降低，所以涂層最佳厚度為0.4mm以內。（3）對噴涂后試片進行涂層厚度增長試驗，并對涂層性能進行檢測及分析，結合強度及熱震性能明顯下降。（4）確定Cr3C2－NiCr涂層最佳涂層厚度為0.6mm，涂層厚度過高將會引起涂層應力過大，導致涂層結合強度下降。

[1]韓忠，趙暉.熱噴涂發(fā)展趨勢—一種新型高能高速噴涂方法[J].材料工程，1996．

[2]向昕，王俊，孫寶德.熱噴涂工藝對涂層摩擦磨損性能的影響[J].表面技術，2003．

[3]龍彥輝.爆炸噴涂工藝制備碳化鉻涂層[J].表面技術，2002．