电热爆炸喷涂技术是一种新兴的热喷涂技术，又称电爆炸喷涂、线爆炸喷涂。电热爆炸喷涂是在一定气体( 空气、惰性保护气体等) 氛围下，通过对金属导体( 金属丝、箔或者粉末) 沿轴向施加瞬间直流高电压，使金属导体内部产生很大的电流密度( 通常可达106～ 107A / cm2) ，导致金属在短时间内熔化、气化，体积在短时间内急剧膨胀而产生爆炸。金属粒子以极高的速度喷射，到达基 体 时 与 基 体 结 合 而 形 成 涂层［1-3］。
铝合金具有密度低，比刚度大，比强度高等特点，已被广泛用于制造汽车发动机活塞及缸套［4］。钼具有熔点高、密度大，高温强度大和高硬度等特性。利用电爆炸喷涂的方法，将钼的高导热率、低膨胀系数、耐蚀性的优点与铝合金质轻强度高的优点结合起来，在铝合金表面形成结合牢固、耐磨损、耐侵蚀的涂层，能够极大的提高铝合金表面性能。目前铝合金缸套的表面强化方法主要有等离子喷涂、电镀、激光表面强化等，工艺过程复杂［4-5］。而电爆炸喷涂方法制备涂层质量优良，工艺简单，又特别适合内孔喷涂［2-3］，很适合汽车发动机缸套的表面处理。用电爆炸喷涂方法对某些局部磨损严重的缸套进行修复，可以节省材料与能源，降低成本，因此该项目具有广阔的应用前景和重要的研究价值。
1 实验材料及方法
喷涂材料为纯钼丝，直径为 1 mm，钼丝的长度取( 140 ± 5) mm，在进行喷涂前对钼丝去除氧化层，并用砂纸打磨光亮。铝合金牌号为 EN AM-91400。
电爆炸喷涂装 置 由 TSGC2J-9 型 接 触 调 压 器、RCL 回路和电爆炸室以及引爆触发器四部分组成。RCL 回路由充电回路、放电回路以及安全保护装置组 成。 充 电 回 路 部 分 由 电 容 器 组 ( 电 容 量 为640 μF) 、高压升压装置和电流整流装置组成。 放电回路由电弧触发器和电弧产生装置组成。安全保护装置由一个安全泄荷保护电路，一根绕有导线的有机玻璃棒及一个常闭开关组成。
正交试验设计是利用一套现成的规格化表格( 即正交表) ，选出代表性强的少数试验条件，并通过对试验结果的分析找出最佳工艺条件。表 1 是电爆炸喷涂工艺参数。
涂层硬度采用 402MVD 型自动转塔数显显微维氏硬度计测试，载荷为 0. 49 N。用接触式全自动表面粗糙度测量仪进行涂层表面粗糙度的测量。测量结果取涂层粗糙度中的 Ra值表征。用 WS-2002 涂层附着力自动划痕仪评价涂层结合力。
采用 WTM2E 型微磨损摩擦试验机测量试样的摩擦系数，用 FA2104 电子分析天平( 精确到 0. 1 mg)测磨损量。磨损试验载荷为 100 N，电机转速为 200r / min。与试样对磨的 Si3N4小球在摩擦过程中作偏心回转运动。
2 结果与分析
2. 1 涂层质量
涂层的质量主要包括涂层的厚度、均匀性、连续性、致密度、孔隙率及其结构等。涂层照片见图 1。由图 1( a) 可知，在工艺参数合适的情况下，钼涂层均匀致密，孔隙率小。涂层与基体结合良好，界面处无孔洞。虽然电爆炸喷涂在大气环境经过多次喷涂，但涂层无明显层状结构［7-8］，涂层质量较好。即使在涂层缺陷较多处( 见图 1( b) ) ，也未见涂层出现分层或者较大孔洞。与传统的氧乙炔焰喷涂制备的钼涂层相比，电爆炸喷涂制备的钼涂层，质量大大提高。
影响涂层性能的首要因素是涂层的厚度和均匀性。涂层的厚度如果太薄，则涂层在实际应用中很难发挥相应的作用，而如果涂层不均匀或者涂层中存在断层，则涂层质量将大大下降。因此，若涂层中出现断层，则该涂层厚度记为 0。涂层厚度及均匀性的分析见表 2、表 3。表 2 中 C 表示涂层均匀连续，N 表示涂层中存在断层。根据表 2 数据，利用正交试验方法对样品 1 ～ 9 试验数据进行处理，结果如表 3 所示。
试验中部分质量较好的涂层金相图片如图 2 所示。由表 3 分析可知，在电爆炸喷涂时，对涂层厚度和均匀性影响因素最大的是喷涂距离，其次是喷涂次数，最后是喷涂电压。此时 D 列的极差最小，说明该试验三个影响因子之间没有相互作用，也不存在其他的可能对试验结果产生较大影响的因素。由此可以确定，从涂层的厚度和均匀性角度考虑，试验的最优方案为 5600 V、30 次、25 mm，即表 2 中 6 号样品的试验参数。但是因为所选参数的局限，对试验影响最大的因子距离参数还需要再通过实验获得。
由图 2 可见，样品 1、2、8 与样品 6 相比，样品 1、2涂层厚度较薄，且涂层 2 均匀性较差。样品 8 厚度相比样品 6 略薄，但是表面缺陷多。
2. 2 涂层结合力与结合机理
2. 2. 1 结合力
涂层与基体之间结合力( 即结合强度) 是涂层的重要指标，也是涂层其他性能得以体现的前提条件。如果涂层与基体的结合强度不足，在使用过程中就会出现涂层提前失效的问题，例如涂层剥落。对涂层与基体结合强度影响较大的因素有基体的硬度、基体表面粗糙度以及涂层的厚度等。由公式( 1) 可知，基体的硬度越高，涂层破坏的临界载荷越高，则结合强度越高。基体的表面粗糙度越高，则摩擦系数越高，从而使临界载荷降低，则结合强度减小［10］。涂层的厚度增加，有利于增强涂层的变形抗力［11-12］，则临界载荷有增加趋势［13］，即结合强度有增加趋势。涂层的结合力数值见表 4。根据表 4 数据，利用正交试验相关分析方法，其结果见表 5。
由表 5 的分析可知，在对涂层结合力的各个影响因素中，根据极差由大到小排序为: C，B，A，D，即喷涂距离的影响大于喷涂次数的影响大于喷涂电压的影响，并且 D 列极差最小，说明对涂层结合力而言，各个因素之间无交互作用，也不存在其他影响因素大于现在所列的 3 种。
对比表 5 和表 3 分析结果可见，爆炸喷涂三个工艺参数中，对涂层质量和结合力的影响最大的是喷涂距离，其次是喷涂次数，喷涂电压影响最小。
喷涂工艺参数对涂层质量的影响主要体现在对喷涂粒子动能和温度的影响。喷涂粒子与基体接触时，动能要适中。如果喷涂粒子动能太小，将会导致涂层与基体结合强度不高; 而如果其动能太大，会使接触面受冲击力太大，从而增加表面粗糙度，甚至将先前的涂层吹薄。喷涂粒子的温度越高，则其与待喷涂面( 基体或者钼涂层) 接触时，越容易将其熔化，则结合强度也越高。
喷涂距离的影响主要表现在随喷涂距离增加，喷涂金属粒子到达待喷涂表面时动能下降，温度下降，从而降低了涂层与基体的结合强度。同时，喷涂距离增加，喷涂粒子向周围 360°范围飞散时，单位面积喷涂粒子的量减少，表现为涂层厚度下降。但是如果喷涂距离太小，则会导致喷涂粒子到达待喷涂表面动能太大，不能获得良好的涂层。喷涂电压对涂层质量的影响主要是对喷涂粒子初始动能和初始温度的影响。
喷涂电压越高，金属丝爆炸越充分，喷涂粒子的初始动能越大，初始温度越高。所以喷涂电压应该保持在一个合适的区间，与喷涂距离相关，距离增加，喷涂电压也应该相应增加。喷涂次数主要表现为多次喷涂时总喷涂量不同，并且达到一定次数后，涂层厚度增加，待喷涂表面与爆炸丝之间的距离减小。
根据电热爆炸喷涂过程中冲击波模型［14］，随距离增加，波阵面传播速度急剧下降，温度却基本不变，即喷涂粒子的动能会急剧下降，温度基本不变。综上所述，喷涂距离对涂层质量的影响最大，喷涂次数对涂层质量的影响大于电压，可能是因为多次喷涂使距离缩小，距离因素显现，超过喷涂电压的影响。
2. 2. 2 涂层结合机理
涂层与基体之间的结合主要有机械结合、冶金结合、物理结合以及微扩散结合等几种［15］。传统喷涂方法( 如火焰喷涂或电弧喷涂) 制得的涂层，涂层和基体之间结合强度较低［16］。
图 3 是钼涂层与铝合金基体界面两侧钼元素和铝元素的线分析。由图 3( b) 和 3( c) 可以看出，距离扫描起始点 40 μm 位置左右( 涂层) ，钼元素含量逐渐减少，铝元素含量逐渐增多，到 45 μm 左右 ( 基体) ，全部变为铝元素，表明钼元素和铝元素在涂层与基体界面处发生了相互扩散，扩散层大约有 5 μm。基体与涂层之间发生元素互扩散，可以提高涂层与基体之间结合力［17-18］，涂层与基体之间可能形成了冶金结合，这将提高涂层与基体的结合强度。
2. 3 涂层硬度
由于涂层厚度越厚，越有利于分析其硬度梯度变化，所以取涂层较厚的试验样品 6、8、9 进行分析，其硬度变化曲线如图 4 所示。由图 4 可知，从涂层表面到基体，钼涂层的显微维氏硬度值逐渐减小，并且硬度减小的梯度不是很大，这有利于保证硬质钼涂层与软的铝合金基体保持良好的结合状态。同时可以看到，基体硬度为 96 HV0. 05，涂层的硬度可以达到 467HV0. 05，远远高于基体硬度。
2. 4 表面粗糙度
涂层表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面越粗糙，摩擦阻力越大，磨损越快，耐磨性越差。因为摩擦副表面是依靠微凸体实际接触在一起的，即微凸体的接触面积之和是摩擦副的真实接触面积，表面越粗糙，实际的接触面积就越小，微凸处的接触压力也就越大，所以表面磨损就跟着增加［19］。
由图 5 可知，经电爆炸喷涂后，试样的表面粗糙度较喷涂前显著增加，并且表面粗糙度值基本上都落在 2 ～ 3 μm 之间。试样的表面粗糙度增加是因为涂层粒子在喷涂过程中是以冲击波方式喷涂到样品表面，与样品接触后，使样品表面发生机械变形。试验结果表明涂层的表面粗糙度与喷涂电压、次数的组合和喷涂距离有关。当喷涂距离一定时，喷涂电压越高，则到达涂层表面粗糙度拐点的喷涂次数越小; 缩小喷涂距离，有利于减小涂层的表面粗糙度。如对表面有较高要求，可加工除去涂层表面 2 ～ 3 μm 厚度，则可获得理想粗糙度值。
2. 5 耐磨性
表 6 是基体和样品 6 涂层摩擦系数及磨损量的对比。μmean表示整个摩擦磨损试验过程的平均摩擦系数，μmax表示摩擦磨损过程中磨损。
由表 6 可见，经电爆炸喷涂处理后，试样平均摩擦系数和最大摩擦系数均下降，并且磨损量相对基体要小。根据公式( 2) 计算，6 号样品涂层的磨损率WL6与基体磨损率 WLS相比，WL6/ WLS≈44. 4% 。而钼的密度( 10. 2 g/cm3) 比铝合金的密度( 2. 6 ～ 2. 7 g/cm3)大很多，钼涂层的磨损量只有铝合金的 11. 5% 。
图 6 为样品 6 和基体的磨痕照片。由图 6 可见，在相同条件下，样品 6 的表面磨损情况较未喷涂涂层的铝合金基体好很多。由图 6( a)铝合金基体的磨损照片可见，铝合金经摩擦后，表面出现很多很深的犁沟形貌，而样品 6( 图 6b) 经摩擦后磨痕平整，表明其耐磨性较铝合金基体有很大提高。从图 6( b) 可见，当样品表面的钼涂层被磨削掉一定厚度后，虽然铝合金基体裸露出来( 图中白色部分) ，但露出部分的铝合金基体表面平整，未出现图 6( a) 中的犁沟形貌，此时样品的摩擦学机制为软基体上分布着硬质粒子，较普通铝合金基体耐磨性好。试验结果表明，在铝合金基体上喷涂钼涂层能够显著提高其耐磨性。
3 结论
1) 用电爆炸喷涂在铝合金基体上制备了高质量钼涂层，涂层厚度可控，均匀连续，致密度高，孔隙率低并且无明显层状结构;
2) 电爆炸喷涂工艺参数中，对涂层质量和结合力影响最大的是喷涂距离，其次是喷涂次数，影响最小的是喷涂电压;
3) 涂层与基体结合良好，在涂层与基体结合界面处发生了元素的扩散现象，结合强度高，涂层与基体可能形成冶金结合;
4) 钼涂层的硬度为 467 HV0. 05，是基体的 4. 9倍，涂层耐磨性良好。
参考文献略
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