火焰喷涂用Al-6Si 丝材热处理工艺及涂层性能研究

王彦军，梁加宽，冀晓鹃，苗小峰，张思源，张鑫，章德铭，阴荫

（1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2. 中国航发南方工业有限公司，株洲 412002；3.北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心，北京 102206）

0 引言

Al-Si 合金由于质量轻、导热性能好，具有一定强度、硬度以及耐蚀性能，其快速凝固合金与涂层均有着广泛的应用[1-3]。丝材火焰喷涂主要是以金属、合金及复合丝材等为材料进行涂层制备技术，该类涂层可赋予基体表面新的性能（如耐磨、隔热、封严等），从而实现对基体表面的防护作用。铝硅丝材是一种铝硅合金材料，硅含量6 wt.%左右，其余为铝及少量杂质。以铝硅丝材为原料，采用火焰喷涂的方法可获得铝硅可磨耗封严涂层，涂层具有可磨耗性、耐冲蚀性、热稳定性、摩擦系数较小及抗氧化性等特点，是航空发动机的压气机机匣、涡轮转子外环、涡轮机匣、叶轮外罩等部位常用的喷涂面层。铝硅自熔性喷涂丝材的熔点为621 ℃，除了用于制备可磨耗封严涂层外，还可用于修复铝部件、修补铝铸件砂眼和修复铸铝用的铸型等[4]。本文通过拉拔技术制备满足火焰喷涂用的Al-6Si 丝材，重点对丝材成型退火工艺进行研究，并对比了与进口丝材喷涂的铝硅面层孔隙率、显微硬度、结合强度及热震性能等的差异，以期获得满足火焰喷涂铝硅涂层性能要求的Al-6Si 丝材。

1 试验过程及方法

1.1 原料的选取

本试验主要通过拉拔工艺制备Al-6Si 丝材，所用原料为φ5 mm 的铝硅合金线坯，化学成分见表1。

表1 铝硅合金线坯化学成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of aluminum-silicon alloy wire billet(wt.%)

1.2 Al-6Si 丝材制备及喷涂试验工艺

铝硅合金线坯经过450 ℃、2 h 均匀化退火处理，以提升铝硅合金线坯的塑性变形能力，然后将退火后的丝材装入拉拔设备，进行4 道次冷拉拔和光亮化表面处理，直径从φ5 mm 拉拔至φ3.17 mm，最后进行成品退火处理。采用丝材火焰喷涂设备（Metco 6P，型号16E）喷涂制备镍铝底层和铝硅面层，底层喷涂丝材选用Metco 405A 镍铝丝材，面层喷涂丝材分别采用自制的Al-6Si 丝材和Metco SF Aluminum 铝硅丝材进行喷涂，并对两种涂层进行性能比较。镍铝丝材底层和铝硅丝材面层喷涂工艺参数均为：O2流量43 L/min，C2H2流量40 L/min，空气流量53 L/min，送丝速度900 mm/min，喷距150 mm。

1.3 分析测试方法

采用GALDABINI 公司QUASAR 型万能材料试验机对试样抗拉强度和伸长率进行测试；采用ZEISS HAL100 型光学显微镜对试样的金相组织进行表征；采用FEI 公司的QUANTA 400 型扫描电子显微镜(SEM)对Al-6Si 丝材截面形貌和涂层微观组织进行观察；采用WOLPERT 公司402MVA 型显微维氏硬度计对涂层显微硬度进行检测；采用WDW-100A 型微机控制电子式万能试验机进行涂层结合强度测试。

2 试验结果与分析

2.1 退火工艺研究

2.1.1 退火温度对铝硅合金线坯力学性能影响

本文制备火焰喷涂所需的φ3.17 mmAl-6Si 丝材，需将φ5 mm 的铝硅合金线坯进行拉拔减径。但由于铝硅合金线坯经过大变形量的轧制，合金内产生加工硬化，形变储能高，合金的塑性变形差，不利于后端的拉拔。因此，在进行拉拔前需对铝硅合金线坯进行退火处理，通过退火工艺可消除材料内部的残余应力增加塑性变形能力。试验对300～550 ℃恒温2 h 的均匀退火工艺进行对比，退火后对铝硅合金线坯的抗拉强度和伸长率进行测试，结果如表2 所示。

表2 不同退火温度铝硅合金线坯力学性能Table 2 Mechanical properties of Al-Si alloy wire billets at different annealing temperatures

由表2 可知，在退火温度300～450 ℃的范围内，随着退火温度的升高，抗拉强度从196 MPa 逐渐降低至 157 MPa，伸长率从17.6%增加至26.5%，该温度区间铝硅合金线坯抗拉强度和伸长率变化较大，但当温度从450 ℃升至500 ℃之后，抗拉强度从157 MPa 增加至 159 MPa，伸长率从26.5% 减小至25.2%，抗拉强度增加，伸长率减小。说明从300 ℃逐渐升到450 ℃，铝硅合金组织中晶粒再结晶生长，晶粒大小、形状逐渐趋于一致，合金的抗拉强度降低，伸长率逐渐变大，当退火温度达到450 ℃，合金组织均匀，塑性最佳。而当退火温度达到500 ℃时，铝硅合金的抗拉强度增加，伸长率减小，推测可能是组织中晶粒急剧长大[5]，塑性变差。

2.1.2 退火温度对Al-6Si 丝材组织的影响

退火后的铝硅合金线坯由5 mm 减径拉拔至3.17 mm 获得成品丝材，但由于拉丝形变加工而造成残余应力，使丝材硬度增加，塑性变形能力变差，不利于丝材喷涂过程送丝，因此需对成品Al-6Si 丝材再次进行均匀化退火以及稳定晶粒尺寸。试验选用 300～450 ℃退火温度进行研究，退火时间1 h，对退火后的Al-6Si 丝材进行金相组织观察和分析，不同温度丝材截面的组织如图 1 所示。从图1 可以看出，300 ℃丝材晶粒分布不均，随着温度增加至400 ℃，晶粒尺寸变化趋于均匀，而当温度增加至450℃，晶粒长大明显，对丝材塑性产生不利影响。因此合适的成品退火温度为 400 ℃。图2 是退火后的丝材的外观和微观形貌分析。如图2 所示，所制备的丝材表面光滑，无肉眼可见毛刺、划痕及疤痕，有利于丝材火焰喷涂。从Al-6Si 丝材截面微观形貌可以看出丝材内部致密、无气孔、缩孔等缺陷。

图1 不同退火温度对成品丝材组织的影响：(a) 300℃；(b) 350℃；(c) 400℃；(d) 450℃Fig.1 Effects of different annealing temperatures on the microstructure of finished wires：(a) 300℃；(b) 350℃；(c) 400℃；(d) 450℃

图2Al-6Si 丝材外观及截面微观形貌：(a) 丝材外观；(b) 丝材微观形貌Fig.2 Appearance and cross-sectional micro-morphology of Al-6Si wire: (a) wire appearance; (b) wire micro-morphology

2.2 涂层性能研究

2.2.1 涂层孔隙率分析

孔隙率是衡量涂层防护性能的关键指标[6]，封严涂层的重要特点是具有可磨耗性能[7]，孔隙的数量增加对涂层性能的影响主要有两个方面：(1) 提高可磨耗性能，随着封严涂层内孔隙数量增多，增加易碎结构[8]，使刮削产物尺寸尽可能微细，涂层整体硬度、涂层与基体之间的结合强度均会下降，可磨耗性变好；(2) 增加隔热性能，密布微孔有效降低涂层的弹性模量缓解热应力，使涂层热导率下降[3]。但过多的孔隙会造成涂层结构极度蓬松，涂层之间内聚力极弱，没有足够的强度抵抗外部颗粒和高温气流的冲蚀作用，涂层易产生脱落。图3 是采用火焰喷涂后铝硅涂层微观形貌，可以看出研制的Al-6Si 丝材和进口铝硅丝材涂层微观形貌基本相当，两种丝材制备的涂层致密均匀，与镍铝底层界面结合良好，孔隙率4%～6%，满足了丝材火焰喷涂铝硅涂层孔隙率小于12%要求。

图3 铝硅丝材涂层微观形貌：(a) 自制Al-6Si 丝材涂层；(b) 进口铝硅丝材(Metco SF Aluminum)涂层Fig.3 Micromorphology of Al-6Si wire coating: (a) self-made wire coating; (b) imported wire coating

2.2.2 涂层显微硬度和结合强度

Al-6Si 丝材主要是应用于封严涂层，其正常工作温度应达到 650 ℃以上，这必须要求涂层与基体具有良好的性能匹配性、高温稳定性、较优异的表面硬度和结合强度。在实际应用中，铝硅丝材涂层其表面硬度 大于70 HV0.3，结合强度≥25 MPa，表3、表4 分别给出了研制的Al-6Si 丝材和进口铝硅丝材涂层的显微硬度及结合强度，两种涂层的显微硬度平均值分别为82.9 HV0.3和81.2 HV0.3，基本相当，制备的Al-6Si 丝材涂层结合强度为42.1 MPa，稍高于进口丝材35.3 MPa，满足封严涂层的使用要求。

表3 涂层显微硬度(HV0.3)Table 3 Coating microhardness(HV0.3)

表4 涂层结合强度(MPa)Table 4 Coating bond strength(MPa)

2.2.3 热震性能

将自制Al-6Si 丝材涂层和进口铝硅丝材涂层试片放入450±5 ℃的炉中保温，保温5～10 分钟后，迅速投入20±5 ℃水中淬冷，采用目视或10倍放大镜检查涂层外观，无起泡、分离、剥落和开裂现象，循环次数25 次。经25 次热震循环后，采用自制和进口铝硅丝材制备试片表面涂层均较完整，无起泡、分离、剥落和开裂现象，如图4所示。

图4 热震试验前后涂层外观：(a)试验前自制Al-6Si 丝材涂层；(b)试验后自制Al-6Si 丝材涂层；(c)试验前进口铝硅丝材涂层；(d)试验后进口铝硅丝材涂层Fig.4 Coating appearance before and after thermal shock test: (a) self-made Al-6Si wire coating before the test; (b) self-made Al-6Si wire coating after the test;(c) imported Al-6Si wire coating before the test; (d) imported Al-6Si wire coating after the test

3 结论

(1) 经过退火，改善了铝硅合金线坯力学性能。退火温度300～450 ℃，抗拉强度从196 MPa 降低至 157 MPa，伸长率从17.6%增加至26.5%，退火温度升至500 ℃之后，抗拉强度增加，伸长率减小，塑性变差。

(2) Al-6Si 合金丝经过400 ℃退火处理，晶粒尺寸变化趋于均匀，而当温度增加至450 ℃，晶粒长大明显，对丝材塑性不利，因此合适的成品退火工艺为400 ℃。所制备的Al-6Si 丝材表面光滑、内部致密、无气孔、缩孔等缺陷。

(3) 采用自制Al-6Si 丝材和进口铝硅丝材进行喷涂试验，两种涂层孔隙率、显微硬度、结合强度及热震等性能基本相当，满足封严涂层应用要求。