金属基体喷焊层抗拉强度的测试方法

王传鸿(四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北 荆州 434024)

0 引言

石油钻采领域及机械制造领域中，经常需要表面耐腐蚀、耐磨、隔热、抗氧化等各种不同功能的金属零件，而热喷涂工艺很好的满足了对金属零件的这些要求。无论喷涂方式还是喷熔(喷涂+熔化，冶金结合)方式形成的基体与喷涂材料的结合，都存在涂层结合强度与喷焊层抗拉强度是否满足要求的问题。本文就热喷涂喷焊层抗拉强度测试进行探讨，提出试验用拉伸组件，便于更好的选择适合基体的喷涂材料，确定喷焊层厚度。

1 必要性分析

涂层抗拉结合强度是指涂层与基体之间单位面积涂层从基体材料结合面上剥落下料所需要的力[1]，它是热喷涂涂层设计与应用的一个最基本的重要的性能参数。热喷涂技术[2]作为表面工程学的一个重要组成部分，是一种表面防护和表面强化技术。热喷涂工艺后，金属与喷涂材料之间的结合强度以及喷焊层的抗拉强度，直接影响金属零件的使用效果与寿命。

当金属与喷涂材料之间的结合强度或者喷焊层的抗拉强度小于实际工况下的最大压力时，喷焊层会发生脱落，变形或断裂等诸多问题。所以为了获得满足各种功能(耐腐蚀、耐磨、隔热、抗氧化等)的金属零件，我们不仅需要研究金属与喷涂材料之间的结合强度，还需要检测喷焊层的抗拉强度。只有当二者均大于使用工况下的最大压力时，才能确保在基体完好的情况下，喷焊层不发生脱落，变形或断裂等问题。

2 结合强度测试方法研究

测定金属基体抗拉强度最行之有效的方式是通过拉力机对拉伸试棒进行拉伸试验，同样，对热喷涂后的金属零件进行喷焊层抗拉强度的测定，也可以通过拉伸试验完成。

2.1 设计拉伸试样

图1所示为喷焊层抗拉强度测试所用的拉伸试样组件。其中，试样1是由件1(如图2所示)与件2 (如图3所示)通过热喷涂工艺形成的一个整体。在加工件1与件2时，应最大程度的保证分型面与中心轴线的垂直度、分型面的平面度以及内孔与外圆的同轴度。

图1 拉伸组件1

图2 件1

图3 件2

理论上，可以直接用拉伸试样进行测试，但考虑到拉伸试样中件1与件2螺纹的同轴度影响，故设计图1所示的拉伸组件1。件1与件2通过件3、件4及紧固件连接。装配后即为喷涂前拉伸试样组件1。组件中其余零件的作用是，最大程度的减小拉伸过程中，热喷涂结合面受到的径向剪切力，使得拉伸试验检测结果更准确。

拉伸试验后，通过查看断裂位置及试验数据分析，可以确定金属基体和喷涂层选用是否合适。如果断裂位置在件1与件2的分型面处，那么试验结果中的抗拉强度就代表喷焊层的抗拉强度，说明金属基体和喷涂层之间的结合强度大于喷涂层自身的抗拉强度；如果喷焊层断裂位置在件1或者件2上，这就相当于附着在件1或者件2上的喷涂层脱落，那么实验结果中的抗拉强度就代表金属基体与喷涂层之间的结合强度，此时金属基体和喷涂层之间的结合强度小于喷焊层的抗拉强度。经过热喷涂工艺处理的零件，通过对比拉伸试验得到的相关数据与实际工况需满足的数据，可以判断金属基体、喷涂材料，以及喷涂层厚度是否满足要求。

下面就拉伸组件的加工与装配做具体分析。首先，加工图1所示的件1、件2、件3和件4；然后，按照图4所示进行装配，装配后，加工组件外圆面、螺栓两端顶针孔及喷涂槽，形成喷涂前拉伸试样组件1。

图4 喷涂前拉伸试样组件1

考虑在拉伸过程中，件1与件2的分型面无法实现理想贴合状态，这会导致贴合处为拉伸最为薄弱的位置。鉴于此，另外加工如图5所示的喷涂前拉伸试样组件2，可将相关的拉伸结果作为参考。组件2在件1与件2贴合的位置增加了内凹圆弧，可补足件1和件2面贴和不理想导致的薄弱。

图5 喷涂前拉伸试样组件2

组件装配并完成加工后，按照需求进行热喷涂，喷涂工艺依照零件实际需要的喷涂工艺来定。热喷涂后，将组件中的螺栓、螺母、弹性垫圈与平垫圈拆除，加工试样外圆面及内螺纹孔，至此，拉伸试样加工完成，如图6与图7所示。需特别注意，加工后的拉伸试样，喷焊层的截面面积与实际产品喷焊层的截面面积相同。

图6 热喷涂后拉伸试样1

图7 热喷涂后拉伸试样2

理想的拉伸试样需满足：喷焊层外圆与螺栓孔同轴；热喷涂结合面与螺栓孔同轴。将拉伸试样与件3、件4、螺栓及螺母按照图1进行装配并进行拉伸试验。

2.2 对拉伸试样进行抗拉强度检测

以柱塞喷涂层抗拉强度测试为例，试验组件中件1、件2、件3与件4材料有20#和40Cr两种，喷涂材料为Ni60粉末。喷涂过程由零件供应厂商完成，采用2次喷涂方式，首先将Ni60粉末喷涂在组件喷涂凹槽内并填满，然后二次高温加热使喷涂层均匀附着在组件上。试样数量、材料及测试结果如表1所示。

表1 拉伸试样数量、材料及测试结果

表1中序号3、4、5拉伸试样的应力-应变图如图8所示。

图8 序号3、4、5拉伸试样应力-应变图

拉伸试验后的拉伸试样如图9所示，所有试样断裂处均位于分型面，属于应力畸变区域硬质合金面的断裂，所以拉伸试验得到的抗拉强度即喷焊层的抗拉强度。其中仅序号2所示的拉伸试样1在试验后，分离的件1和件2可以复原，其余4组均因喷焊导致变形而无法复原。

图9 拉伸试验后的拉伸试样

3 结语

文章提出喷焊层抗拉强度的测试方法，并设计了拉伸组件的结构，为检测喷焊层抗拉强度提供了思路。用文中给出的拉伸组件进行试验，可以检测喷焊层的抗拉强度，确定基体与喷涂材料的配对是否为最优，也可用来确定喷涂层厚度对产品的实际影响。