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1、热喷涂涂层的重熔后处理工艺研究进展安树春,程汉池,栗桌新,高晨表面技术引 言热喷涂涂层是由熔化状态热喷涂粉末粒子以高速喷向基体,一层一层有规律地叠加形成不连续结构,在基体表面经过碰撞、变形和凝固等过程后形成,涂层呈典型的层状结构,内部不同程度地存在着微孔,从而影响了与金属基体的结合强度和表面层致密度,因此难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。重熔处理是利用热源将合金中最易熔化的成分熔化,产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透,熔化的结果使热喷涂涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织,孔隙减少甚至消失。因
2、此采用适当的重熔处理,可改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,从而提高涂层的耐磨、耐蚀性。目前,重熔处理技术主要有激光、电子束、TIG重熔、火焰重熔、整体加热和感应重熔等,本文拟对这些重熔技术进行综述,以期促进这些工艺技术的发展,指导实际应用。[摘 要] 热喷涂涂层呈典型的层状结构,孔隙度较高,且与基体结合为物理结合,难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。重熔处理可以改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,提高涂层使用性能。综述了各种涂层重熔处理新工艺的研究现状,介绍了重熔后的组织和性能,分析比较了各工艺的不同,以期促进该
3、技术的发展,指导实际应用,并展望了其推广应用的前景。[关键词] 重熔处理;等离子喷涂;热喷涂涂层;组织;裂纹1 激光重熔1.1 激光重熔原理热喷涂激光重熔工艺,即先用火焰、电弧、等离子或爆炸喷涂等方法在基材上制备金属或陶瓷涂层,然后在使用保护气氛的条件下用激光束进行扫描熔化处理(即二步法),见图1。激光具有很高的能量密度和稳定的输出功率,可以明显改善涂层的组织和性能。激光重熔时,试件在高能量激光束的照射下,使基体材料表面薄层与根据需要加入的陶瓷或合金涂层同时快速熔化、混合,形成厚度为10~1000μm的表面熔化层。熔化层在凝固时获得的冷却速度可
4、达105~108℃/s,相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度,又由于熔化层液体内部存在扩散作用和表面张力效应等物理现象,使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms)内就形成了具有所需深度和化学成分的表面合金化层。这种合金化层具有某些高于基材的性能,所以通过该技术能达到表面改性的目的。1.2 激光重熔涂层组织和性能热喷涂Cr3C2-NiCr陶瓷涂层具有高温耐磨和高温耐腐蚀性能,已成功应用于航空发动机和热轧钢辊。对于热喷涂涂层存在的缺陷,激光重熔技术可有效提高涂层的致密度,消除大部分孔隙,改善涂层与金属的结合情况,从而更好地发挥陶瓷涂层的使用性能。J
5、.Mateos等[1]用大气等离子喷涂工艺在AISI1043钢辊上喷涂0.4mm涂层,经激光重熔后,孔隙率由9.2%减小到几乎为0,微观组织变得均匀;显微硬度HV0.3由重熔前的561增加到655,提高了大约17%;耐磨性能也得到很大提高。JunjiMorimoto等[2]利用超音速火焰喷涂,用成分为Cr3C2-25%NiCr、80%Ni-20%Cr的热喷涂粉末制备涂层,激光重熔时发现:随激光能量密度由100W增加到200W,在涂层冷却到室温后,逐渐出现纵向裂纹;随扫描速度由2mm/s增加到12mm/s,重熔层深度由大约300μm逐渐减低到15
6、0μm。重熔后,显微硬度由860~922增加到955~1048。腐蚀试验结果证明,重熔后涂层的腐蚀减少量是未重熔涂层的50%,是基体的5%,可见激光重熔显著提高了耐腐蚀性能。激光重熔Al2O3+TiO2后,会促进涂层中化学稳定性差的亚稳定相γ-Al2O3转变为α-Al2O3,原涂层的层片状结构消失,消除表层中的疏松、孔隙等缺陷,提高其致密度,从而防止腐蚀介质渗入,减少阳极溶解。重熔还促使合金元素均匀分布,减少微电池数目,从而提高耐蚀性。纳米改性的Al2O3+13%(质量分数)TiO2复合陶瓷涂层重熔后,纳米Al2O3颗粒主要分布在粗颗粒表面,填
7、充在粗颗粒间,阻隔了腐蚀的途径,因此其耐腐蚀性能最高[3];此外,激光重熔还可提高Al2O3涂层的显微硬度和耐磨性[4]。ZrO2是典型的热障涂层,被广泛应用于陶瓷发动机和透气机叶片上。在等离子喷涂ZrO2涂层中由于存在m相,极易被钒和硫的化合物腐蚀,重熔后消除了m相,提高了涂层的化学稳定性[5]。向兴华[6]在保证梯度涂层的成分分布方式不被影响的情况下,只对ZrO2表层进行了激光重熔处理,发现重熔区有致密的等轴晶结晶组织,由于熔区各部位凝固冷却速度不同,边缘晶粒较为细小,中部晶粒较为粗大;其表面硬度由960HV增加到1800~2200HV;重
8、熔处理使孔隙基本得以消除,有效阻止了氧化性气氛渗入到涂层中,因此使得涂层的抗氧化性能得到较大改善。激光重熔还能提高ZrO2涂层的热疲劳性能,Petit
