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1、熱噴涂涂層的重熔后處理工藝研究進展安樹春,程漢池,栗桌新,高晨表面技術引 言熱噴涂涂層是由熔化狀態(tài)熱噴涂粉末粒子以高速噴向基體,一層一層有規(guī)律地疊加形成不連續(xù)結構,在基體表面經(jīng)過碰撞、變形和凝固等過程后形成,涂層呈典型的層狀結構,內(nèi)部不同程度地存在著微孔,從而影響了與金屬基體的結合強度和表面層致密度,因此難以適應較惡劣的環(huán)境,這限制了它的應用范圍及使用壽命。重熔處理是利用熱源將合金中最易熔化的成分熔化,產(chǎn)生的液相有助于擴散過程的強化和成分的滲透,熔化的結果使熱噴涂涂層與基體的結合區(qū)由原來堆疊的層狀組織變?yōu)橹旅芎洼^均勻的組織,孔隙減少甚至消失。因
2、此采用適當?shù)闹厝厶幚?可改善涂層與基體間的結合強度和涂層內(nèi)在質(zhì)量,從而提高涂層的耐磨、耐蝕性。目前,重熔處理技術主要有激光、電子束、TIG重熔、火焰重熔、整體加熱和感應重熔等,本文擬對這些重熔技術進行綜述,以期促進這些工藝技術的發(fā)展,指導實際應用。[摘 要] 熱噴涂涂層呈典型的層狀結構,孔隙度較高,且與基體結合為物理結合,難以適應較惡劣的環(huán)境,這限制了它的應用范圍及使用壽命。重熔處理可以改善涂層與基體間的結合強度和涂層內(nèi)在質(zhì)量,提高涂層使用性能。綜述了各種涂層重熔處理新工藝的研究現(xiàn)狀,介紹了重熔后的組織和性能,分析比較了各工藝的不同,以期促進該
3、技術的發(fā)展,指導實際應用,并展望了其推廣應用的前景。[關鍵詞] 重熔處理;等離子噴涂;熱噴涂涂層;組織;裂紋1 激光重熔1.1 激光重熔原理熱噴涂激光重熔工藝,即先用火焰、電弧、等離子或爆炸噴涂等方法在基材上制備金屬或陶瓷涂層,然后在使用保護氣氛的條件下用激光束進行掃描熔化處理(即二步法),見圖1。激光具有很高的能量密度和穩(wěn)定的輸出功率,可以明顯改善涂層的組織和性能。激光重熔時,試件在高能量激光束的照射下,使基體材料表面薄層與根據(jù)需要加入的陶瓷或合金涂層同時快速熔化、混合,形成厚度為10~1000μm的表面熔化層。熔化層在凝固時獲得的冷卻速度可
4、達105~108℃/s,相當于急冷淬火技術所能達到的冷卻速度,又由于熔化層液體內(nèi)部存在擴散作用和表面張力效應等物理現(xiàn)象,使材料表面僅在很短時間(50μs~2ms)內(nèi)就形成了具有所需深度和化學成分的表面合金化層。這種合金化層具有某些高于基材的性能,所以通過該技術能達到表面改性的目的。1.2 激光重熔涂層組織和性能熱噴涂Cr3C2-NiCr陶瓷涂層具有高溫耐磨和高溫耐腐蝕性能,已成功應用于航空發(fā)動機和熱軋鋼輥。對于熱噴涂涂層存在的缺陷,激光重熔技術可有效提高涂層的致密度,消除大部分孔隙,改善涂層與金屬的結合情況,從而更好地發(fā)揮陶瓷涂層的使用性能。J
5、.Mateos等[1]用大氣等離子噴涂工藝在AISI1043鋼輥上噴涂0.4mm涂層,經(jīng)激光重熔后,孔隙率由9.2%減小到幾乎為0,微觀組織變得均勻;顯微硬度HV0.3由重熔前的561增加到655,提高了大約17%;耐磨性能也得到很大提高。JunjiMorimoto等[2]利用超音速火焰噴涂,用成分為Cr3C2-25%NiCr、80%Ni-20%Cr的熱噴涂粉末制備涂層,激光重熔時發(fā)現(xiàn):隨激光能量密度由100W增加到200W,在涂層冷卻到室溫后,逐漸出現(xiàn)縱向裂紋;隨掃描速度由2mm/s增加到12mm/s,重熔層深度由大約300μm逐漸減低到15
6、0μm。重熔后,顯微硬度由860~922增加到955~1048。腐蝕試驗結果證明,重熔后涂層的腐蝕減少量是未重熔涂層的50%,是基體的5%,可見激光重熔顯著提高了耐腐蝕性能。激光重熔Al2O3+TiO2后,會促進涂層中化學穩(wěn)定性差的亞穩(wěn)定相γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3,原涂層的層片狀結構消失,消除表層中的疏松、孔隙等缺陷,提高其致密度,從而防止腐蝕介質(zhì)滲入,減少陽極溶解。重熔還促使合金元素均勻分布,減少微電池數(shù)目,從而提高耐蝕性。納米改性的Al2O3+13%(質(zhì)量分數(shù))TiO2復合陶瓷涂層重熔后,納米Al2O3顆粒主要分布在粗顆粒表面,填
7、充在粗顆粒間,阻隔了腐蝕的途徑,因此其耐腐蝕性能最高[3];此外,激光重熔還可提高Al2O3涂層的顯微硬度和耐磨性[4]。ZrO2是典型的熱障涂層,被廣泛應用于陶瓷發(fā)動機和透氣機葉片上。在等離子噴涂ZrO2涂層中由于存在m相,極易被釩和硫的化合物腐蝕,重熔后消除了m相,提高了涂層的化學穩(wěn)定性[5]。向興華[6]在保證梯度涂層的成分分布方式不被影響的情況下,只對ZrO2表層進行了激光重熔處理,發(fā)現(xiàn)重熔區(qū)有致密的等軸晶結晶組織,由于熔區(qū)各部位凝固冷卻速度不同,邊緣晶粒較為細小,中部晶粒較為粗大;其表面硬度由960HV增加到1800~2200HV;重
8、熔處理使孔隙基本得以消除,有效阻止了氧化性氣氛滲入到涂層中,因此使得涂層的抗氧化性能得到較大改善。激光重熔還能提高ZrO2涂層的熱疲勞性能,Petit
