电弧喷涂陶瓷涂层在发动机零部件修复中应用

贺彦赟 詹长书 林晓晖 戚成功 吕 宁 王 攀

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

电弧喷涂是材料表面强化和修复的一种新技术，也是表面工程学科中的重要分支，涂层具有结合强度高、耐磨损和耐高温氧化等特点[1]，因其生产效率高、成本低且环保，在近40年间得到了迅速发展，特别是在汽车工业方面，为了提高汽车的燃油经济性且适应环保的需要，其已广泛应用于发动机曲轴、气缸套、同步环、活塞环,发动机气门挺杆以及氧传感器探头等发动机部件的修复[2,3]。近年来，随着X射线衍射技术(XRD)的迅速发展，其在材料研究等领域获得了广泛应用[4]。本文采用X射线衍射法(XRD)对Al2O3,NiCr-Cr3C2,TiO2复合陶瓷粉芯丝材喷涂涂层进行了物相分析、结晶度和微观应变相应研究，为复合陶瓷粉芯丝材在汽车工业中的实际应用提供理论依据。

2 实验部分

2.1 样品制备

采用QD8-400型电弧喷涂系统进行喷涂，喷涂材料为委托北京工业大学制造的Fe基复合粉芯线材(其配方设计见表1)，丝材外皮采用0.5 mm×12 mm的低碳钢带，丝材直径为2 mm。基体材料为Q235钢，尺寸为20 mm×20 mm×10 mm，喷涂前试样用汽油或丙酮清洗，然后用棕刚玉在STR-9000型喷砂设备上进行喷砂粗化处理。喷涂工艺参数为电压22 V～25 V，电流200 A～300 A，喷涂距离为180 mm～220 mm，涂层厚度约为1.5 mm。

表1 粉芯丝材的配方设计 %

2.2 测试条件和方法

使用 X’Pert3 Powedr型X射线衍射仪(荷兰帕纳科公司)测定衍射强度，其工作条件为：CuK α辐射，管压40 kV，管流40 mA,采用θ～2θ连续扫描方式，扫描范围：5°～80°，步长0.006 5°,扫描速度为4°/min。利用MDI Jade 6.5软件包(USA Materials Data Inc)对获得的XRD图谱进行定性分析，利用图谱拟合法对涂层进行结晶度和微观应变的相应计算。

3 结果与讨论

3.1 物相分析

如图1所示，其中Al2O3和TiO2陶瓷粉末在工业上主要以熔炼烧结的方法制造[5]，图1b)的图谱显示，粉末中的相成分为CrC和Cr2Ni3,通常NiCr-Cr3C2为包覆型粉末，以Cr3C2为芯核材料，在芯核材料的表面包覆一层Ni金属，利用液相包覆或固相包覆的方法生产，属于混合物。图1c)中TiO2粉末主要以金红石相和Ti8O15等形式存在的低价氧化物，利用绝热法求得粉末中金红石相和Ti8O15相的质量分数分别为36.1%和63.9%，表明粉末中的主要相为Ti8O15马格涅利相低价氧化物。

从图2可以看出，2号涂层的主要物相为α-Fe，Al2O3和TiO2，粉芯中的Al2O3和TiO2陶瓷粉末在喷涂的过程中没有分解，表明Al2O3和TiO2陶瓷粉末具有高热稳定性、高熔点、耐氧化等特点。同时，这些硬度较高的氧化物镶嵌在涂层内部，起到了弥散强化作用，提高了涂层的硬度。4号涂层的物相组成较为复杂，涂层中除了α-Fe,Al2O3和TiO2相以外，还存在FeCr2O4,NiCr2O4及Fe2TiO4等氧化物相。粉芯中的TiO2陶瓷粉末在电弧喷涂过程中与Fe形成少量的化合物，但保留了大部分TiO2相在涂层中。涂层表面生成的连续、致密的FeCr2O4复合氧化膜，对金属内部起到了良好的保护作用，提高了涂层的抗热腐蚀性能[6]，粉芯中的NiCr-Cr3C2粒子在飞行过程中因表面温度过高而分解。

3.2 结晶度分析

由图3发现，1号～3号涂层都在一些特定2θ角附近都出现衍射峰，但不同涂层在相同衍射角出现的衍射峰又有一些差异，如在34°时，1号～3号涂层出现的衍射峰强度依次减弱，而峰形宽度却依次增加，1号涂层的衍射峰强度最强，3号涂层的衍射峰强度最弱，且衍射峰最宽。物质的结晶度越好，对应的衍射峰强度越高，越尖锐，反之则结晶度越差。因此推测不同涂层的结晶度有所不同。

对1号～3号涂层的XRD数据进行拟合处理，计算涂层的结晶度数据，所得计算结果见表2～表4。

表2 1号涂层结晶度

表3 2号涂层结晶度

表4 3号涂层结晶度

结晶度表示晶体结晶的完整程度或完全程度，由计算结果可知，1号～3号涂层的结晶度平均值依次降低，说明随着Al2O3粉末的比例增加，涂层的结晶度呈下降趋势。这由于随着Al2O3粉末比例的增加，Al2O3颗粒高速撞击基体后，在快速冷却的过程中部分熔化的Al2O3扁平颗粒在冷却和再结晶的过程中形成非晶相[5]，从而使涂层结晶度降低。涂层中Al2O3相的存在可以使涂层的硬度显著增加，但是随着丝材中Al2O3粉末比例的增加，涂层的硬度并没有显著增加[8]，由结晶度分析是由于涂层中的Al2O3相的结晶度降低所导致。

3.3 微观应变分析

表5 涂层的微观应变

从表5中可以看出，4号涂层微观应变的平均值明显低于2号涂层，当涂层喷涂结束后，在涂层与基材一起冷却凝固的过程中，由于二者线膨胀系数不一致将产生微观应变。将涂层的XRD图谱与标准的物相PDF卡片对比可得知，喷涂后涂层的衍射峰变宽，主要是涂层内部产生了微观应变，Ni的加入明显降低涂层内的微观应变[8]。

4 结论

1)加入粉芯丝材中的Al2O3,TiO2和NiCr-Cr3C2陶瓷粉末，经过电弧喷涂后与低碳钢带形成化合物，经X射线衍射分析，涂层中除Fe以外，主要相仍为Al2O3和TiO2，NiCr-Cr3C2陶瓷粉末在喷涂过程中全部分解，主要与Fe化合成FeCr2O4,NiCr2O4及Fe2TiO4等氧化物相，其中的氧化物相具有硬度高、耐高温、耐腐蚀等特点，涂层可以较好的适应发动机中高温、环境恶劣的特点。2)将涂层XRD图谱数据拟合后进行涂层结晶度的计算，结果表明，随着丝材中Al2O3粉末比例的增加，涂层的结晶度依次下降，随着丝材中Al2O3粉末比例的增加，涂层硬度值的增加并不明显，分析可知是涂层中结晶度下降所导致。3)涂层的微观应变计算结果表明，当丝材中加入NiCr-Cr3C2陶瓷粉末后，使涂层与基材的线膨胀系数差异减小，显著降低了涂层的应变值。