火焰与电弧喷涂3Cr13涂层性能对比研究及应用

2022-12-07高名传陈永强余斯亮

材料保护 2022年9期

高名传，刘畅，陈永强，杨甫，余斯亮，李军

(1. 武汉材料保护研究所有限公司，湖北武汉 430030；2. 特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室，湖北武汉 430030；3. 保定朝雄电气化电力器材有限公司，河北保定 071800；4. 中国铁路成都局集团有限公司供电部，四川成都 610081)

0 前言

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。根据热源的不同，热喷涂技术一般分为氧乙炔火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等。其中氧乙炔线材火焰喷涂与电弧喷涂以丝材作为喷涂材料，设备构造简单、工艺操作方便，尤其适用于喷涂各类便于制备丝材的金属材料[1-3]。

在可用于热喷涂的金属材料中，不锈钢材料价格低廉，便于制备线材，且喷涂制备涂层简单。其中Cr13型不锈钢为典型的马氏体不锈钢，兼具硬度高、耐磨耐蚀性能好等优点。研究表明，在热喷涂Cr13型马氏体不锈钢涂层形成过程中，马氏体转变体积增大的效应部分地补偿了涂层的冷却收缩，从而降低了涂层的收缩应力，有助于涂层的结合，因此是一种优异的喷涂材料[4]。

目前，热喷涂3Cr13涂层已得到研究及应用，王银军等[5]研究了喷砂处理与喷涂工艺参数对3Cr13涂层结合强度的影响，肖锦初[6]对比了等离子喷涂、电弧喷涂和氧 - 乙炔喷涂制备3Cr13涂层的性能，并使用超声滚压后处理进行了改性。热喷涂3Cr13涂层在柴油机气缸[7]、模具[8]、汽车曲轴[9]等零件表面均已获得应用。然而，大部分的研究及应用为电弧喷涂，关于线材火焰喷涂却少有研究。

电弧喷涂与线材火焰喷涂作为2种常用的工艺方法，其在涂层性能及施工要求等方面具有各自的优点。为丰富3Cr13涂层的制备手段，本工作分别采用线材火焰喷涂与电弧喷涂2种工艺制备3Cr13涂层，通过喷涂粒子的在线监测及涂层性能的表征，对比研究了2种方法制备的涂层特性，并对比了2种喷涂方式用于轴类零件修复的特征，为工业应用中工艺方法的选择提供参考。

1 试验材料与方法

试样基材为Q235钢，喷涂材料为3Cr13丝材，直径φ2.0 mm。首先清洗试样表面油污并进行喷砂处理，砂粒为24～30目棕刚玉，喷砂压力0.5～0.6 MPa。随后分别采用QX - 1型火焰喷涂设备制备火焰喷涂层(FSC：Flame Spray Coating)，工艺参数为：氧气压力0.5 MPa、乙炔压力0.1 MPa、压缩空气压力0.5 MPa。采用K600型电弧喷涂设备制备电弧喷涂层(ASC：Arc Spray Coating)，喷涂工艺参数为：喷涂电压37 V、电流200 A、压缩空气压力0.5 MPa。2种类型涂层厚度都为300～350 μm。

喷涂过程中，采用德国GTV NIR - Sensor在线粒子监测系统测试了喷涂距离为60～200 mm范围内喷涂粒子的飞行速度与表面温度。喷涂完成后，采用三丰SJ - 210型粗糙度测试仪检测涂层表面粗糙度。根据GB/T 8642-2002，采用E - 7胶粘结试样，并在CMT5105型微机控制万能力学试验机上测试涂层抗拉结合强度。采用Leica X型光学显微镜观察涂层截面微观形貌。采用TMVS - 1型维氏硬度计检测涂层截面显微硬度，加载载荷0.98 N。采用CH01型电化学工作站对2种类型涂层进行电化学性能测试，测试面积1 cm2，电解质溶液为3.5% NaCl溶液，参比电极为标准饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，采用三电极动电位扫描，扫描速度10 mV/s。

2 试验结果及讨论

2.1 喷涂粒子状态

2种工艺方法的喷涂粒子速度随喷涂距离的变化如图1所示，从图中可以看出，在喷涂距离为60～200 mm范围内，火焰喷涂粒子的速度为113.9～121.5 m/s，电弧喷涂粒子的速度为86.8～91.9 m/s。当喷涂距离相等时，火焰喷涂粒子飞行速度比电弧喷涂的约高25 m/s。火焰与电弧喷涂粒子加速的推动力主要来源于压缩空气，但与电弧喷涂相比，火焰喷涂的氧 - 乙炔焰流还起到一定的加速作用，因此粒子的飞行速度相对更高。

喷涂粒子温度随喷涂距离的变化如图2所示。由图中可以看出，在喷涂距离为60～200 mm范围内，火焰喷涂粒子温度为2 009.9～2 132.2 ℃，电弧喷涂粒子温度为2 369.3～2 402.8 ℃。当喷涂距离相等时，电弧喷涂粒子温度约比火焰喷涂的高350 ℃，与氧 - 乙炔焰流相比，电弧热源的功率更高，可将喷涂粒子加热到更高温度。同时还可以发现，电弧喷涂粒子温度的波动性较小，不同颗粒的加热状态一致性较好。而火焰喷涂粒子温度波动幅度较大，在相同距离监测的粒子温度差异甚至超过了200 ℃，主要原因在于火焰喷涂燃烧形成的焰流功率偏低，导致部分颗粒在焰流中未得到充分加热。

2.2 涂层形貌

2.2.1 表面形貌

观察火焰喷涂与电弧喷涂3Cr13涂层的表面粗糙度测量结果如图3所示，电弧喷涂层的粗糙度Ra10.1 μm、Rz56.2 μm，分别低于火焰喷涂的Ra11.7 μm、Rz62.1 μm，其原因也主要是电弧喷涂温度更高，对于喷涂丝材的熔化更充分，喷涂粒子的颗粒更细，因此所沉积的涂层表面更光滑。由涂层的外观也可以看出，电弧喷涂层比火焰喷涂层颜色更深，其主要原因也在于电弧喷涂粒子温度高，从而导致氧化程度更高。

2.2.2 微观形貌

火焰喷涂与电弧喷涂3Cr13涂层截面金相形貌如图4所示，从图4a、4c中可以看出，2种涂层都呈现典型的层叠状结构，且存在微观孔隙与球形颗粒，采用图像分析软件ImageJ计算得出火焰喷涂层与电弧喷涂层的孔隙率分别为(10.5±3.8)%、(3.1±1.3)%。由4b、4d高倍形貌可以看出，火焰喷涂层中的球形颗粒最大直径达到28.6 μm、叠层单层厚度最大为35.7 μm，都超过了电弧喷涂层的2倍；且电弧喷涂层叠层之间存在更多的氧化物，其主要原因在于电弧喷涂温度高，丝材熔化更充分，经压缩空气雾化形成的熔融或半熔融粒子直径更小，提高了表面接触面积，从而氧化程度更高，且粒子撞击铺展形成的叠层更薄。

2.3 涂层抗拉结合强度

2种涂层的抗拉结合强度如图5所示，电弧喷涂层抗拉结合强度平均值为32.3 MPa，火焰喷涂层抗拉结合强度平均值为24.7 MPa。火焰及电弧喷涂层的主要结合机制为机械结合，而电弧喷涂粒子的熔化程度高，颗粒尺寸小，粒子撞击表面铺展更均匀，因此提高了叠层之间的结合面积，从而提高了结合强度。

2.4 涂层硬度

喷涂用3Cr13丝材及2种涂层的显微硬度如图6所示，火焰喷涂与电弧喷涂层的硬度分别为505.9，444.6 HV0.98 N，都高于原始3Cr13丝材的硬度289.4 HV0.98 N，表明喷涂颗粒在撞击基材后的快速冷却过程中实现了马氏体转变，从而提高了涂层硬度。火焰喷涂层的硬度比电弧喷涂层高61.3 HV0.98 N，其原因可能是电弧喷涂粒子氧化程度高而导致脱碳，涂层在马氏体转变时由于贫碳而受到限制，从而导致硬度的降低。

2.5 电化学性能

2种涂层的Tafel曲线如图7所示。从图7可以看出，火焰喷涂层与电弧喷涂层的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度几乎一致，且腐蚀电位均在-1.000～-0.616 V范围内时，2种涂层的腐蚀电流密度也相差不大。然而当腐蚀电位升高到-0.616～0 V范围时，火焰喷涂层的腐蚀电流密度明显低于电弧喷涂层，表明火焰喷涂层的腐蚀速率低于电弧喷涂层的。造成这种现象的原因可能是电弧喷涂粒子的剧烈氧化导致涂层中形成了较为疏松的氧化膜，并造成部分区域的贫铬，而火焰喷涂层氧化程度轻，在腐蚀介质中，火焰喷涂层表面缓慢形成的钝化膜致密度更高，所以耐蚀性更好。

2.6 工业应用

为比较线材火焰喷涂与电弧喷涂在工业应用中的特点，分别采用2种工艺方法进行了轴类零件的修复，修复部位为轴承位，零件基材为中碳钢。所采用的修复工艺流程为：

(1)机加工去除疲劳层。车削加工去除损伤部位表面的疲劳层，加工至大部分区域表面露出金属底色为止，加工深度0.2～0.5 mm，允许局部区域有少量深度大于0.5 mm的凹坑；(2)局部修补。采用氩弧焊不锈钢丝的方式填补局部较深的凹坑，并修整焊点表面；(3)喷砂预处理。对零件待修复部位进行喷砂处理，获得粗糙、活化的表面；(4)热喷涂制备涂层。采用线材火焰喷涂或电弧喷涂制备3Cr13涂层；(5)涂层后加工。对零件涂层表面进行磨削加工至图纸要求尺寸。

2种工艺方法的对比如表1所示，在设备配套保障方面，2种工艺的实施除需配备电源及压缩空气外，线材火焰喷涂还需要使用燃气及氧气。电弧喷涂由于是采用2根喷涂丝材放电后形成电弧，电能大部分用于熔化喷涂丝材，其能量转化效率比火焰喷涂高，且电弧喷涂双丝送料比火焰喷涂的单丝送料涂层制备效率更高。但由于电弧加热温度高，喷涂材料烧损较火焰喷涂严重，因此材料的利用率比火焰喷涂低。从加工现场也可以看出，火焰喷涂焰流较为集中，工件上的反弹或溅射“火花”较粗，而电弧喷涂焰流发散角更大，喷涂“火花”比较细腻。