李亚龙 涂秋芬

摘 要：以CoCr合金为电极，采用电火花沉积技术在纯Ti表面沉积CoCr合金涂层，研究涂层的硬度、表面状态、微观结构和相组成。结果表明：合金涂层硬度为430 HV，约为基底的4倍；涂层厚度为40～60 μm；涂层与基体间存在元素相互扩散，发生反应形成了冶金结合层，主要成分为Cr2Ti和Cr1.97Ti1.07。

关键词：电火花沉积；CoCr涂层；界面行为

中图分类号：TG401 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）17-0174-03

1 电火花沉积

电火花沉积是一种脉冲微弧焊工艺，原理是高电流的短脉冲把电极材料沉积到基体金属表面，电极材料在等离子弧的作用下熔化并在基体表面形成高硬度、耐磨性好的涂层，使基底材料表面的物化性能和力学性能得到改善。与传统的表面强化技术如等离子渗氮、离子注人、等离子喷涂技术等相比，它具有结合强度高、基底变形小、操作灵活等优点[1-3]，目前广泛应用于被磨损工件表面的修复以及在工件表面制备高硬度、高强度、耐磨耐腐蚀涂层[4，5]。电火花沉积技术已经成为材料表面改性工程领域重要的手段。本文以纯Ti为基底沉积CoCr合金涂层，主要研究合金涂层的界面行为和表面特征。

2 样品制备和工艺参数

采用DZ-4000III型堆焊机，脉冲频率为400～1 600 Hz，直径为3 mm的CoCr合金电极棒，基底是边长为10 mm的纯Ti立方块。样品制备：先用200#，400#，600#，1000#的砂纸打磨基底；然后抛光，使表面呈镜面状；再用丙酮清洗样品表面的油污，用吹风机吹干；把处理好的样品固定，在1 400 r/min的转速下沉积涂层。涂层的电火花沉积工艺，见表1。

涂层制备后，采用HV-1000 型显微硬度计测量涂层的显微硬度，载荷为50 g，加载时间为10 s；采用JSM-560LV扫描电镜和三维表面轮廓测定仪检测涂层断面、表面及三维形貌；使用EDS能谱仪和X射线衍射仪对涂层的元素分布和相结构进行分析。

3 实验结果与分析

3.1 CoCr涂层的显微硬度

CoCr合金涂层表面到基底的显微硬度分布图，如图1所示。结果表明，涂层表面的硬度达到430 HV，约为基底纯Ti显微硬度110 HV的4倍，这是因为涂层中含有大量的CoCr合金相，存在很高的位错密度；过渡层具有适中的硬度240 HV，这与涂层在沉积过程中过渡区的相组织细化有关，也证明涂层表面改性成功。

3.2 CoCr涂层的断面形貌和表面形貌分析

纯Ti 基底表面CoCr涂层的断面形貌图，如图2所示。由图可看出，涂层较为连续的较嵌入基体，且之间有一条不均匀的熔合线，熔合线低于基底表面，说明涂层和基底材料有一定程度的熔渗，由于短时间内的超高温度，等离子弧将熔化的电极金属熔敷过渡到基底，与基底结合形成合金涂层。涂层上孔洞的存在可能是在沉积的过程中，电极移动和保护气流不均匀，掺杂进了空气形成气孔，使涂层剥落形成的。

CoCr合金涂层的表面形貌图，如图3-a 所示。从图中可以看出，合金涂层表面并不均匀，呈现凹凸状，还有一些飞溅和裂纹，可能是因为沉积脉冲产生的瞬间高温使合金熔化甚至气爆，熔滴中的CoCr合金和基底Ti扩散、合金化，溅射到基材表面，而且由于冷卻速度较快，合金熔滴在沉积完后会快速收缩、凝固，会在基底表面产生较大的热应力和组织应力，在沉积层出现飞溅和裂纹；随着沉积时间的增加，沉积过程中多次产生的飞溅由于其不均匀性，堆叠在沉积层表面甚至产生气孔。CoCr合金涂层的三维形貌图，如图2-b所示。由图可以看出，CoCr合金涂层比较致密，厚度为40-60 μm，且粗糙度变化较小，且涂层表面过渡相对平缓，没有明显的高度突变，表明CoCr合金涂层表面形貌性能较好。

3.4 CoCr涂层的成分分析

基底和涂层中Co，Cr，Ti元素的成分变化曲线，如图4所示。

由上图可以看出，沉积层中的Co，Cr元素含量明显高于基体，从涂层到基体明显的减少，Ti元素含量却相反。这表明，基底和涂层在沉积过程中元素发生了相互扩散；但是由于脉冲时间极短（10-6～10-5 s），且Co， Cr元素是由沉积层向基底过渡扩散，Ti元素由基底向沉积层过渡，元素并不能充分的扩散，在涂层和基底间形成了三种元素的扩散区；同时由于沉积层温度高于基底的温度，在接近表面处，基底的Ti元素更容易向涂层扩散，所以图4中Ti元素的过渡相对平缓，而Co， Cr元素含量下降更快。

3.5 CoCr涂层的相结构分析

基底和涂层过渡区的相结构X射线衍射图谱，如图5所示。通过对涂层的X射线衍射图谱分析可得出，基体由单一相Ti组成，其X衍射为Ti的峰，如图5-a所示。图5-b表明合金涂层和基底Ti的过渡区域中除了单相Ti外，还有强化相Cr2Ti， Ti5Si4及Cr1.97Ti1.07等新相生成，以及其他一些峰值较小的相。这说明在沉积过程中，过渡区的组织也发生了变化，基底和电极发生了化学冶金反应，这和涂层的成分分析结果相对应。

由此可得出：电火花沉积不是简单的涂镀过程，而是电极材料和基底元素在沉积过程中在高温条件下发生剧烈复杂的扩散和合金化等反应，在过渡区产生冶金结合，极大地提高了材料表面的物理化学性质。

4 结 语

①根据优化的工艺参数，在纯Ti表面制备的CoCr合金涂层的显微硬度为430 HV，约是基底硬度的4倍。

②涂层厚度不是非常均匀，约为40～60 μm，粗糙度变化较小。涂层表面有少量飞溅、裂纹和孔洞，但是涂层比较致密，且涂层和基底过渡较为平缓。

③在沉积过程中，涂层和基底在接触界面处发生了元素的相互扩散，基底中的Ti元素向沉积层过渡，而沉积层中的Co， Cr元素向基底过渡。

④合金涂层与Ti基体的过渡层除了基底相外，还有Cr2Ti、Ti5Si4、Co2Si3及Cr1.97Ti1.07等强化相的生成，表明涂层与基体发生了化学冶金反应，为冶金结合。

参考文献：

[1] 于华，林耀华.35CrMo钢表面电火花沉积NiCr合金强化层特性的研究 [J].表面技术，2010，（4）.

[2] 王钊，陈荐，何建军，等.电火花表面强化技术研究与发展概况[J].热处理 技术与装备，2008，（6）.

[3] 李占明，朱有利，孙晓峰，等.电火花沉积技术的研究与应用进展[J].热加 工工艺，2013，（24）.

[4] 张春辉，游涛，闫平，等.钛合金表面电火花沉积强化研究现状[J].稀有金 属快报，2007，（2）.

[5] 朱健，张全忠，张立文，等.钛合金表面电火花沉积WC涂层的研究[J].金 属热处理，2005，（2）.