表面修复技术—热喷涂层特质探析
王振东,李新德
装备制造技术
摘 要：首先分析热喷涂层形成的过程，并指出热喷涂过程中三个显著特点；较为详细的分析了热喷涂层的结构，指出了热喷涂层与铸造和锻造的均质结构的力学性能的区别，并提出了热喷涂层的改质的方法。
关键词：热喷涂层；形成；结构；力学性能；改质
热喷涂技术是一种表面强化技术，它可以在普通材料表面形成具有特殊性能的涂层，获得各种特殊性能的涂层，从而使制品表面获得各种特殊性能。此外，由于机械零件在长期运行中磨损、腐蚀，或因加工超差等原因而造成许多贵重零部件报废，也可以通过热喷涂技术方便、有效地予以修复。热喷涂技术不仅能使零件具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热等不同功能，而且能使它具有复合性能，即能保护零件，又能修复零件。目前，在机械维修中，主要用于轴类零件（如：传动轴、曲轴等）、发动机配气机构的零部件（如：活塞顶部、活塞环、气缸套、排气门、阀座、凸轮、齿轮等）、各种液压元件的零部件（如：液压泵、液压阀等）等的表面处理和修复。热喷涂层的质量好坏是热喷涂技术的关键环节，本文就热喷涂层的形成过程和热喷涂层的结构进行了分析，指出了热喷涂层与铸造和锻造的均质结构的力学性能的区别，并提出了热喷涂层的改质的方法。
1 热喷涂层的形成
热喷涂时，喷涂材料是呈雾状从喷嘴喷向工件的。粉末材料加热后可以直接喷出，丝材须先经热熔化，再由气流喷射成雾状，然后从喷嘴喷出。用粉粒材料喷涂时，粉粒从喷嘴喷出后要通过热源加热到熔融或呈塑性状态，同时被加速，以高速喷向工件而形成涂层。
熔融或呈塑性状态的圆型颗粒射到工件表面即受阻变形成为扁平状。最先射到工件表面的颗粒与工件表面的凸凹不平处产生机械结合，随后飞来的颗粒打在先前到达工件表面的颗粒上，也同样变形并与先前到达的颗粒互相咬合，形成机械式的结合，这种现象称为“抛锚效应”。大量颗粒在工件表面互相挤嵌堆积起来，就形成了喷涂层。
1.1 热喷涂层形成的过程
热喷涂层形成的过程包括以下三个瞬间相连的环节：（1）固态涂材熔融环节。通过不同的热源设备和加热手段，使喷涂材料快速成为液状或熔融状。（2）液态涂材雾化环节。利用高速喷射气流，使液状或熔融状的材料雾化细化为微小颗粒，颗粒大小为数十微米到数百微米不等。（3）固化形成涂层环节。将液态或熔融状颗粒喷涂到经过预处理的基体材料表面上固化，最终形成涂层。
1.2 热喷涂过程的显著特点
热喷涂过程有如下显著特点：（1）过程极其短暂。热喷涂过程是在极短的时间内完成的，热源确保喷涂材料快速而充分地熔融，高速射流使熔滴高度离散和雾化，这两步几乎是同时进行的。以丝材气体火焰喷涂为例，材料从喷枪出来到基体表面所需时间，大约为 0.01～0.001 s，有的喷涂时间更短。（2）喷涂射流使熔滴高速飞行。在丝材气体火焰喷涂时，熔滴的飞行速度高达 50～80 m/s，普通电弧喷枪枪口位置气流速度达375 m/s 左右，高速电弧喷枪在距枪口 80 mm 区域内保证 600 m/s 左右的雾化气流速度，而爆炸喷涂的射流速度高达 800～600 m/s。（3）熔滴高速碰撞到基体表面后骤停骤冷。热喷涂涂层是由高速撞击并聚集在基体表面上的细微颗粒组成的。喷涂的熔融颗粒在与基材撞击时，被撞扁并在接触的瞬间被冷却，其过程只有10- 7～10- 6s，在此期间，1 cm2面积有数十到数百个颗粒与基材相撞，并形成喷涂层，而后涂层逐步加厚。
2 热喷涂层的结构
热喷涂层是大量合金属颗粒在工件表面互相挤嵌堆积起来的，其显微结构是大体平行的不均匀的叠层状组织，疏松多孔，孔隙率高者可达 25 %。
母材在喷涂过程中受热不多，升温不高，其组织一般不会发生变化。喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化学键结合。也就是说，喷涂层与零件基材之间的组织连接，主要是在喷涂材料热融状态下的机械性结合，这是热喷涂技术最基本的特征。
需要说明的是，关于涂层与基体之间的结合机理，还处在研究之中，目前还没有十分统一的观点。虽然坚持“机械结合”的观点居多，但是“化学吸附”、“化学键结合”、“冶金结合”、“物理吸附”等观点，也有一定的代表性。在自熔性合金粉末，尤其是放热性自粘结复合粉末问世以后，出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间的微区冶金结合的组织，使结合强度明显提高。
顺带说明，喷焊（熔）接头的组织，与喷涂层相比有所不同，其为致密的金属组织。与喷涂不一样，喷焊时氧—乙炔火焰加热速度慢等原因，母材表面与熔融涂层直接接触，受热较多并有一薄层熔化，两种材料相互深解而形成一薄层表面合金，其厚度约为60～100 μm，把涂层和母材牢固地结合在一起，其作用类似钎焊。这种结合是一种冶金结合，比喷涂层牢固得多，所获得的这种涂层就是喷焊层。熔合线附近因温度接近熔点，会有过热组织出现。当工艺参数正常时，对性能没有明显影响。
3 热喷涂层的力学性能
热喷涂层与铸造和锻造的均质结构的力学性能，有明显区别。
3.1 结合强度
涂层与母材的结合是否牢固，关系到这种方法能否实用。从喷涂层的机械结合结构可以看到，不会有很高的结合强度，这与喷涂薄片层之间结合强度低和孔隙多有关。通常喷涂层的强度与锻造金属相比要低得多。例如，钢丝抗拉强度为1 000 MPa 左右，而同类材质的热喷涂层则在 300 MPa 以下。用一般合金粉喷涂时，涂层与母材间的抗拉结合强度只有 19.6～29.4 MPa，抗剪结合强度较高，但也只有 29.4～39.2 MPa。提高工件表面的粗糙度，可以增强“抛锚效应”，从而提高结合强度，但对工件的疲劳性能不利。使用镍铝复合粉作底层，可以明显提高结合强度。据测定，此时的抗拉结合强度约为 29.4～39.2 MPa，抗剪结合强度可高达 137 MPa。这样的结合强度，可以满足许多工件的要求。
喷焊层的情况则完全不一样，它与母材间的结合是冶金结合，结合强度一般都有在 392 MPa 左右，能满足各种条件下的使用要求。因此，喷焊时多不再考虑结合强度问题。
3.2 涂层硬度
喷涂层的硬度，取决于合金粉种类和喷涂工艺。涂层的宏观硬度值不高，一般为150～350 HB，这是由于喷涂层疏松多孔所致。涂层中合金颗粒的硬度则高得多，其值需用显微硬度计才能测出。
喷焊层的硬度取决于合金种类。测试方法不同，硬度值差别也很大。例如喷焊 301 合金粉，其喷焊层的宏观硬度为 45～50 HRC；喷焊102铁合金粉，其宏观硬度为58～60 HRC。这种硬度值，是合金粉目录上标注的硬度，其实质上是喷焊层组织中Ni- Cr奥氏基体的硬度。而弥散分布的硬质相的硬度，则要高得多，必须用显微硬度计才能测出。如合金粉中含有 WC，则其显微硬度值高达2 100～2 900 HV，但合金粉目录上标注的硬度值仍未变。选用合金粉时要了解这个特点。
3.3 耐磨性能
耐磨性是热喷涂技术在机械装备维修中所能实现的性能之一，而且效益显著。
喷涂层宏观硬度虽不高，但如上所述，喷涂的薄层由骤冷的颗粒构成，其微观硬度较高，在喷涂合金涂层时，还会形成合金过饱和状态。
薄层有一层氧化膜，也是硬度高的原因之一。由于组成涂层的颗粒本身有很高的硬度，特别是涂层的孔隙可以储存润滑油，因而使涂层在正常润滑的条件下，有较高的耐磨性。但是，喷涂层在干摩擦的条件下是不耐磨的。在有冲击或腐蚀的条件下，以及流动磨损条件下，却表现出十分优良的耐磨性。
如用铁基合金粉喷成的试样，宏观结果表明，其宏观硬度比淬火钢低，但耐磨性却为后者的 4.27 倍。用镍基粉喷成的试样，宏观硬度比淬火钢高得不多，而耐磨性却高9 倍。其原因是喷焊合金基体上弥散分布了许多硬质相，其硬度有的比石英的硬度还要高，在磨料作用于机械零件时，这些硬质相可以保护基体，使整个喷焊合金不致快速磨损，从而显得耐磨。
此外，喷焊合金中由于含有较多的镍和铬，在腐蚀磨损、高温磨损和冲刷式磨料磨损条件下，都有较好的耐磨性。
3.4 疲劳性能
研究表明：热喷涂过的多数机械零件，其疲劳性能要下降。主要原因是喷前的粗糙化处理，对机械零件表面造成了损伤。同时涂层内往往存在的残余拉应力，也会有一定影响。但疲劳强度降低的幅度不大，一般情况下无明显影响。
4热喷涂层的改质
如上所述，为保证喷涂层的性质和质量，应该控制涂层的孔隙率。通常，喷涂过程中喷涂颗粒温度低、喷涂速度慢时，往往使涂层的孔隙增大。
为了增加结合力，减少孔隙率，缩小喷涂层和喷涂材料的差别，可使用各种方法对涂层进行改质，诸如减压热喷涂法，用高频把涂层加热的熔融法，以及把热喷涂与其他表面处理结合的方法。
用激光束或电子束照射热喷涂层，对涂层的改质很有效。经过照射的涂层，可以完全消除孔隙。但若工件尺寸较大、形状不规则时，用这种方法处理，会使涂层有产生开裂的危险。如何控制孔隙率，是热喷涂技术研究的一个重要方向。各种改质方法都有长处和短处，有许多问题还有待解决。
5结束语
提高涂层质量不是单方面的问题，它本身就不能与工艺、材料、装备等分开。材料的成份是千变万化的，无论金属及其合金，陶瓷和塑料，材料的发展内容都非常丰富，新材料在不断出现，特别是复合材料的发展尤为迅速。进一步提高结合强度和其它性能指标仍然是热喷涂工作者今后需进一步研究的课题之一。
参考文献略
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