热喷涂层的重熔技术及其发展现状

时间：2017-07-01 14:48:37 来源：焊接技术作者：陈松，董天顺，李国禄，周秀锴，王朝建，张晓敏，田庚凡

摘要：为了减小热喷涂层中的孔隙率和氧化物夹杂,改善其与基体的结合强度，有必要对涂层进行重熔处理。本文综述了近年来出现的各种涂层重熔处理工艺，包括激光重熔、电子束重熔、钨极氩弧重熔、火焰重熔、感应重熔和整体加热重熔等，对它们的原理、特点及其应用进行了介绍，并比较了各重熔工艺的差异。
关键词：热喷涂；涂层；重熔；现状

0 引言

    现代工业和科学技术的飞速发展对机械零部件表面的防护性能提出了越来越高的要求。热喷涂技术是表面工程技术领域中应用最广泛的技术之一，然而，由于热喷涂层大多呈多孔的层状结构，与基体结合强度较弱，容易剥落，并且涂层表面不均匀，耐磨与耐腐蚀性能较差等，因此，近年来人们积极探索涂层重熔处理技术。
    重熔处理是使用高温热源将涂层中的部分金属熔化，金属液渗入其他金属颗粒当中，填充金属颗粒间的孔隙，使孔隙率降低甚至消失，热喷涂层中疏松的层状组织变为较均匀的致密组织。对热喷涂层进行适当的重熔处理，还可以提高涂层与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨与耐腐蚀性能^［1］。
    目前，重熔处理技术主要分为激光重熔、电子束重熔、钨极氩弧重熔、火焰重熔、感应重熔和整体加热重熔等。

1 激光重熔

    激光重熔是利用高能激光束对工件表面进行照射，使陶瓷或合金涂层快速熔化并混合，在基体的表面形成一层厚度为 10～1 000 μm的熔融态金属液，激光撤去后该层金属液快速凝固的工艺。
    陶瓷涂层尽管热稳定性好、硬度高、制造成本较低，但是其熔点远高于合金涂层，因此需广泛采用激光重熔工艺进行后处理。对陶瓷涂层进行激光重熔处理，可以消除大部分孔隙及氧化物夹杂，增强抗腐蚀性能，实现涂层与基体间的冶金结合，以提高结合强度，增强涂层的耐磨性^［2］。
    李崇桂人^[3]采用等离子弧喷涂和激光重熔复合工艺在 Ti-6Al-4V 基体上制备了 Al2O3＋TiO2 涂层，结果表明，激光重熔使得等离子弧喷涂层中的主相由γ－Al2O3 变为 α－Al2O3，消除了涂层内部的孔隙、微裂纹和层状堆垛等微缺陷，并与基体形成良好的冶金结合，重熔涂层的硬度提高了 50％，裂纹扩展抗力提高了2 倍。激光重熔也适用于合金涂层和合金陶瓷涂层的后处理。尹斌等^[4]对1Cr18Ni9Ti不锈钢表面的NiCrB-Si 等离子弧喷涂层进行了激光重熔处理，激光重熔消除了等离子弧喷涂层中的孔洞、裂缝以及未熔颗粒等缺陷，增强了涂层致密度，重熔层的显微硬度也有显著提高，抗磨性能约为原来的 2 倍。潘力平等人^[5]采用超音速火焰喷涂制备了 2 mm 厚的 NiCrBSi-WC12Co 涂层，并进行了激光重熔，改变了涂层原有的片层结构，平均摩擦因数由 0.65 降低为 0.55，质量损失显著降低，耐磨性明显提高。不过，由于涂层材料的抗热冲击性能较差，激光重熔过程中的急剧加热、冷却过程使得涂层容易产生裂纹，同时熔池中的气体也不易于排出而形成气孔缺陷，因此裂纹、孔洞和剥落是目前涂层激光重熔中存在的主要问题^[6-7]。

2 电子束重熔

    电子束重熔是利用高能电子束轰击工件表面，将部分动能转化为热能，使涂层温度瞬间达到熔点以上而熔化，从而细化组织提高材料表面性能。由于电子束重熔是在真空条件下进行的，可有效防止重熔时涂层被氢、氧、氮等有害气体污染，而且有利于涂层的除气和净化，因此，特别适合于化学活性高的镁、铝等基体表面涂层的重熔处理。
    Weisenburger 等人^[8]对 CoNiCrAlY 涂层进行了电子束重熔，经重熔处理后火焰喷涂层表面粗糙度由62μm 下降至 3.7 μm，火焰喷涂层表面粗糙度由47 μm 下降至 8.0 μm，消除了涂层表面 30~40 μm厚度范围内的气孔。于斌等人^[9]在 Nb521 铌合金表面制备硅化物涂层，并进行了电子束重熔，研究表明，重熔处理后涂层表面陶瓷晶粒度降低，表面粗糙度降低，陶瓷涂层的烧结作用增强，致密度增加，硅化物层的抗氧化性能和抗热震性能提高。

3 钨极氩弧重熔

    钨极氩弧重熔是利用钨棒作为电极在氩气的保护下进行重熔的方法。重熔过程中，焊枪的喷嘴中喷出氩气，在电弧周围形成惰性气体保护，以防止空气对电极和涂层的有害影响。钨极氩弧重熔时由于氩气具有极好的保护作用，使得重熔区内的冶金反应简单、易于控制，因此能够获得高质量的重熔层；氩弧在很小的电流下仍可稳定燃烧，热输入容易调整，特别适合于对薄板和热敏感材料表面的涂层进行重熔。此外，钨极氩弧重熔操作简单，成本较低。
    杜晓东等人^[10]在 45 钢基底上制备 WC 颗粒增强钢基复合涂层，经钨极氩弧重熔后，涂层的致密度提高，显微组织细小均匀，与基材形成良好的冶金结合，熔覆层由 F，P 和其上分布均匀的、细小的WC 颗粒组成，组织得到了显著改善。陈桂山等人^[11] 采用电弧喷涂方法制备了合金涂层，然后采用钨极氩弧重熔获得了具有冶金结合的耐磨涂层，涂层表面硬度提升至 HV1200，是20G 基体的6～7倍，与基体之间为冶金结合，耐高温冲蚀性能为 20G 钢基体的 2.5～4 倍。

4 火焰重熔

    火焰重熔是利用氧乙炔等火焰对喷涂层进行加热，使之熔化后再冷却凝固以提高喷涂层性能的方法。相比于其他重熔方法，火焰重熔热源温度较低，因此适合于对合金涂层进行重熔。
董晓强等^[12]制备了等离子弧喷涂 NiCrBSi ＋w（WC）15％涂层，并进行了火焰重熔处理，重熔后涂层的显微结构有了显著的改善，裂纹、气孔、未熔颗粒减少，晶粒得到细化，并形成硬质相，重熔后涂层的硬度达到 HV800，磨损性能显著提高。火焰重熔设备简单、易操作，便于在施工现场作业，但由于很难精确控制加热深度和做到均匀加热，所以必须严格控制火焰枪的速度和与工件的距离。

5 感应重熔

    感应重熔是利用感应圈中的交变磁场在工件中产生涡流，涡流的趋肤效应使得热量可以集中在工件表面而使涂层熔化，从而改善涂层的结构、性能以及涂层与基体的结合状况，感应重熔工艺不但速度快，并且对基体组织和力学性能的影响也较小。
    张红霞等人^[13]在碳钢表面制备了 Ni 基自熔性合金涂层，采用中频感应重熔工艺进行重熔处理，重熔后 Ni 基涂层与基体形成了良好的冶金结合，涂层与基体之间存在明显的扩散转移带， Ni 涂层基体中分布着丰富的硬质相，显著提高了涂层的硬度和耐磨性。

6 整体加热重熔

    整体加热重熔通常是在中性或者还原性气氛中，将喷涂层加热到液－固相区间内某一温度，此时涂层呈半固态，材料变得致密并呈熔融状，因此冶金反应引起了大量的硬质相以涂层混合物的形态沉积，冷却后这些硬质相保留在涂层上，提供了优良的耐摩擦磨损性能^[14]。
    王韶云^[15]等人研究了炉内重熔工艺对 NiCrBSi 超音速等离子弧喷涂层接触疲劳性能的影响，研究发现，在1 020 ℃的条件下对涂层进行重熔处理后，重熔涂层结构致密、微孔隙少，涂层和基体之间界面结合良好，接触疲劳寿命明显提高。

7 各种重熔工艺的差异

    由前述可见，重熔处理在改善热喷涂层的组织和提高性能方面展现出了巨大的发展潜力，但是具体实施中，还应根据各种重熔工艺的不同特点和适用范围正确选择。各种重熔工艺的差异主要体现在以下几个方面：
    （1）适用涂层类型不同激光重熔、电子束重熔都是利用高能量密度的热源，基本上不受涂层材料种类的限制。感应重熔是利用趋肤效应，所以，重熔效果取决于涂层的相对磁导率和电阻率。火焰重熔和整体加热重熔则适用于熔点较低的合金涂层。
    （2）适用工件类型不同激光重熔可用来处理表面形状比较复杂的工件，可将工件表面涂层有选择的局部熔化，并可实现自动化生产，但是激光重熔通常只能处理薄板金属，不适宜处理厚大件。电子束重熔时，必须具备真空室，因此工件的尺寸受到真空室大小的限制，适用于较小试样或要求重熔区精确的工件。钨极氩弧重熔对低熔点和易蒸发的金属（如铅、锡、锌）表面的涂层重熔较困难。火焰重熔要将整个工件加热到较高温度，不适合应用于较厚大的工件。感应重熔受感应圈的形状和大小限制，只适于比较小的圆柱形工件。
    （3）对工件的影响不同激光重熔、电子束重熔、钨极氩弧重熔加热面积小，能量集中，热影响区小，处理后工件变形小。感应重熔为环形热源，温差效应比较小，可以避免重熔层产生裂纹、剥落或涂层材料被过度熔化。整体加热重熔由于需要将整个工件放入加热炉中，基体受热影响较大。
    （4）施工难易程度不同激光重熔、电子束重熔由于设备的操作和维护复杂，且设备体积较大，不适合在施工现场作业，并且激光重熔中由于激光对人眼的伤害，因此要有可靠安全的保护设施。火焰重熔和钨极氩弧重熔操作方便，设备简单，自动化程度高，适合现场操作，且成本低，满足大规模生产的需求。感应重熔加热速度快，功率密度高，时间、温度和加热深度容易控制。整体加热重熔非常适合批量生产，操作简便易行。

8 结论与展望

    总之，重熔处理可有效改善热喷涂层的组织和性能，从而显著提高零件的使用寿命。在绿色制造、低碳经济和可持续发展日益成为世界各国发展共识的今天，热喷涂层的重熔技术必将获得越来越广泛的应用。

参考文献略。

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