重熔處理對高硅鋁涂層組織和性能的影響

王 旭，馮 陽，趙利輝，王正洋，呂啟文，董天順,2，李國祿

(1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省新型功能材料重點實驗室，天津 300401)

鋁合金由于表面耐磨性較差，在某些場合的應(yīng)用受到限制。一些研究表明，在鋁合金表面通過等離子噴涂工藝制備耐磨涂層，則可以在保持基體鋁合金綜合力學(xué)性能的同時，表面也獲得良好的耐磨性[1]。不過，由于等離子噴涂層普遍存在一些缺陷[2]：涂層呈層片狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在大量孔洞和顯微裂紋，而且涂層與基體界面處缺陷較多，結(jié)合較差，因此有必要對涂層進行重熔處理[3-4]。

高硅鋁合金(w(Si)>20%)比共晶Al-Si合金有更高的導(dǎo)熱系數(shù)、更高的硬度和耐磨性能等特點，受到人們的關(guān)注[5-7]。但目前制備高硅鋁合金涂層的研究成果還未見報道，而對該涂層進行重熔處理后的效果如何也還未知。

本研究采用等離子噴涂技術(shù)在A356鋁合金基體上制備高硅鋁合金涂層，然后采用鎢極氬弧(TIG)工藝進行重熔處理。這對于提高鋁合金表面的耐磨性具有參考價值。

1 實驗材料及方法

基體材料為A356鋁合金。噴涂Al-30Si粉末[w(Al)=70%，w(Si)=30%]，粉末的粒度20 μm～30 μm。首先對A356鋁合金試件表面噴砂粗化處理，再用丙酮進行超聲清洗；然后采用GP-80型等離子噴涂設(shè)備制備高硅鋁涂層。噴涂工藝參數(shù)如表1所示。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Table 1 Plasma spraying parameters

采用鎢極氬弧工藝對噴涂層進行重熔處理，所用設(shè)備為松下YC-300WX型焊機，并使用自動小車來控制焊槍移動速度，重熔參數(shù)如表2所示。

表2 TIG重熔工藝參數(shù)Table 2 TIG remelting parameters

重熔后使用DK7735型電火花數(shù)控線切割機切成1 cm×1 cm×1 cm的磨損試樣，在MM-200型磨損試驗機上進行摩擦磨損實驗，對基體、重熔層以及噴涂層的耐磨性能進行對比測試；用Nikon MA100型金相顯微鏡觀察涂層的微觀形貌；采用D/max/2500PC型X射線衍射儀對涂層進行相分析；采用JSM-6510A型掃描電鏡觀察試樣的磨痕形貌；采用島津HMV-2000型硬度計進行維氏硬度測試。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 涂層截面形貌觀察

圖1a為噴涂層與基體的截面形貌。由圖1a可以看出，噴涂層中含有較多氣孔和一些未熔顆粒，并且涂層與基體的界面為明顯的機械結(jié)合，這種結(jié)合并不牢固。圖1b為重熔層與基體的截面形貌。由圖1b可見，重熔層與基體間已經(jīng)看不到明顯界限，界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合；并且可以看到大量尺寸為5 μm～10 μm的初晶Si顆粒均勻分布重熔層中，內(nèi)部組織更加致密均勻。

2.2 涂層的物相分析

圖2為噴涂粉末、噴涂層以及重熔層的XRD衍射圖譜。由圖2可以看出，噴涂粉末、噴涂層以及重熔層中的物相種類沒有發(fā)生大的變化，均是α-Al、β-Si和Al3.21Si0.47化合物，但峰的強度均有所變化，尤其是β-Si相。β-Si相在粉末中的峰強度最高，在重熔層中的次之，在噴涂層中的最低。這是因為在噴涂時噴涂粉末被等離子焰流加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，Si在飛行中的熔滴中處于過飽和狀態(tài)，當熔滴與基體接觸時溫度迅速降低，過飽和的Si來不及析出，導(dǎo)致噴涂層中β-Si相含量較少。在經(jīng)過重熔處理后，涂層被再次加熱熔化使Si能夠析出，導(dǎo)致重熔層中β-Si相的含量升高。但由于基體對涂層中Si的稀釋作用，使得重熔層中β-Si相的含量低于噴涂粉末中的。

2.3 涂層的硬度分析

作為材料性能的一個重要指標，硬度值一方面能夠體現(xiàn)涂層是否達到所需的使用要求，另一方面則反映涂層在制備時的質(zhì)量情況。

圖3為涂層截面上的硬度分布?？梢钥闯龌w的顯微硬度大約在76 HV0.1左右；噴涂層的硬度達到160 HV0.1左右，比基體的提高了一倍多；涂層在經(jīng)過重熔處理后，硬度在164 HV0.1左右，比噴涂層的略有提升(約提高2.5%)，且分布的波動較小一些。分析認為，一方面，與基體相比，在噴涂層中存在硬質(zhì)β-Si相，并且由于噴涂過程中熔滴凝固速度很快，造成較多的Si固溶于Al中，對涂層起到固溶強化作用，但是由于噴涂層中也存在較多的孔洞、微裂紋等缺陷，導(dǎo)致致密性欠佳，限制了噴涂層硬度的進一步提升。經(jīng)過重熔處理后，涂層中的絕大部分孔洞消失，涂層更加致密均勻，而且重熔后涂層中析出的大量細小彌散的β-Si相對重熔層也起到了強化作用，最終使得硬度進一步提升。

2.4 涂層的磨損性能

在普通鋁合金表面制備高硅鋁合金涂層，就是為了發(fā)揮后者優(yōu)良的耐磨性能，本項目中采用MM-200型磨損試驗機進行干摩擦磨損實驗，對磨環(huán)材質(zhì)為GCr15，硬度為50 HRC～55 HRC，對磨環(huán)直徑為40 mm。磨損實驗參數(shù)為：負載50 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，磨損時間10 min。

2.4.1 摩擦因數(shù)及磨損量

由圖4可以看出，基體的摩擦因數(shù)稍大，大約為0.74，實驗后期略有上升趨勢；噴涂層的摩擦因數(shù)實驗開始時稍小，在0.72左右，但是隨后波動增加，并隨實驗時間而逐漸升高；重熔層的摩擦因數(shù)實驗開始時稍大，但是很快迅速下降，并變得較為穩(wěn)定，在大約0.73附近波動。由圖4d可以看出，磨損量由大到小依次為基體、噴涂層和重熔層，其中噴涂層比基體的磨損量顯著降低，這表明在鋁合金表面制備高硅鋁涂層可以顯著提高耐磨性；重熔層的磨損量略低于噴涂層的，說明重熔處理對改善噴涂層耐磨性的有一定效果，但不太顯著。

2.4.2 磨損形貌及成分分析

圖5是試樣磨損SEM形貌及EDS分析結(jié)果。由圖5a可見基體的磨損表面存在大面積剝層和少量犁溝，表明基體在磨損實驗過程中是以粘著磨損為主，同時包含著少量磨粒磨損。因為基體A356鋁合金為亞共晶Al-Si組織，硬度較低，所以在發(fā)生磨損時，基體表面會發(fā)生明顯的塑性變形，并與對磨環(huán)發(fā)生粘著，反復(fù)地粘著剪切造成大面積剝落。從圖5b可見，噴涂層表面存在大量的犁溝和少部分的剝層，說明磨粒磨損與粘著磨損同時存在，但以前者為主要磨損機制。這是由于噴涂層中Si含量高，使得噴涂層的硬度提高，粘著程度降低，耐磨損性能提升；但是由于噴涂層中存在層狀結(jié)構(gòu)，存在較多的孔洞和微裂紋，因此內(nèi)聚強度不高，在磨損過程中容易發(fā)生剝落，因此在磨損過程中出現(xiàn)了明顯地粘著磨損，耐磨性受到制約。從圖5c可見重熔層的磨損表面有較多的犁溝，而剝層很少，表明重熔層的磨損以磨粒磨損為主，粘著磨損程度很輕。這是由于重熔層中析出了大量均勻細小的硬質(zhì)初晶Si顆粒(參見前面圖1b)，在磨損過程中起到支撐作用，減少了粘著磨損，對耐磨性能有利。

此外，對圖5中磨損表面EDS結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，基體、噴涂層和重熔層都有O、Fe、Cr等元素存在。Fe元素與Cr元素的產(chǎn)生是因為試樣與對磨環(huán)之間發(fā)生摩擦?xí)r對磨環(huán)也發(fā)生了磨損，產(chǎn)生的磨屑粘附到試樣表面。O元素的存在是由于在磨損實驗完成后待進行SEM檢測這段時間內(nèi)產(chǎn)生了些許氧化，并不能說明在磨損過程中有氧化磨損存在。

3 結(jié) 論

1)采用等離子噴涂技術(shù)在A356鋁合金表面制備得到高硅鋁涂層，對該涂層進行TIG重熔，可以有效去除涂層內(nèi)部的孔洞和微裂紋，使界面由機械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密的冶金結(jié)合，重熔后細小的初晶硅顆粒均勻彌散分布在重熔層中。

2)高硅鋁涂層的硬度和耐磨損性能均顯著優(yōu)于A356鋁合金基體的，TIG重熔處理對提升高硅鋁涂層的耐磨損性能也有一定效果，但不太顯著。