(河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300130)

重熔等离子喷涂层的裂纹形成原因与对策分析

刘明田尧董天顺李国禄

(河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300130)

采用等离子喷涂技术，在45号钢基体上制备了镍基涂层，然后对涂层进行了钨极氩弧(TIG)重熔处理，之后采用扫描电镜对重熔涂层进行了组织形貌观察，并对裂纹进行了EDS能谱分析。结果表明，重熔电流对重熔层裂纹倾向有明显影响，当电流为50 A，重熔层成型良好，内部没有裂纹，当电流增加到60 A和90 A时，裂纹越来越显著；此外，EDS能谱结果表明，裂纹中存在较多的B，Si元素；在此基础上，分析了裂纹的形成原因并提出了解决措施。

热喷涂涂层重熔裂纹

0 序 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[1]。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[2]。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[3]。

重熔处理是使用高温热源将涂层中的部分金属熔化，金属液渗入其它金属颗粒当中，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。目前，重熔处理技术主要有激光重熔[4]、电子束重熔[5]、钨极氩弧重熔[6]、火焰重熔[7]、整体加热重熔[8]和感应重熔等。文中主要针对TIG重熔Ni基等离子喷涂层中裂纹的形成机理进行了研究对比了重熔电流的大小对重熔层裂纹倾向的影响，分析了裂纹的形成原因并提出了若干解决措施，研究结果对提高热喷涂层的性能具有参考价值。

1 试验方法及过程

1.1 试验设备

采用型号为80KWGP-80型的等离子喷涂设备制备涂层；重熔试验使用的是由唐山松下产业机器有限公司生产的YC-300WC型交直流氩弧焊机；使用Nikoneclipse MA100型光学显微镜对涂层截面形貌进行观察；采用HITACHI公司生产的S-4800/TMP型扫描电子显微镜对涂层进行微观形貌分析，并使用与该扫描电镜配套的EDAX-AMETEK能谱仪进行涂层元素分析。

1.2 试验材料

试验所用的喷涂粉末为Ni基粉末，粒度为48 μm，化学成分见表1，微观形貌如图1所示。将喷涂粉末放到红外烘干箱中加热到 80 ℃，保温6 h，以去除潮气与水分，避免在喷涂过程中由于水分存在而形成气孔与裂纹，另外能够抑制粒子在喷涂过程中飞溅，降低涂层中因飞溅造成的气孔，从而提高涂层的质量。

表1 NiCrBSi粉末化学成分(质量分数，%)

基体材料选用45号钢板，试验前使用无水乙醇或者丙酮去油，风干后对试样进行表面喷砂粗化处理，使表面处于压应力状态，并增大结合面积。

1.3 等离子喷涂层的制备

喷涂时选择喷涂电压为60 V，喷涂电流500 A，喷涂功率30 kW，Ar气流量为5 L/min，H2为次气体，把基体从焊条烘干箱中快速拿到喷涂平台上，喷涂距离为 110 mm，然后立刻对基体进行均匀喷涂。涂层厚度大约 400 μm，喷涂完毕自然冷却。

图1 NiCrBSi粉末微观形貌

1.4 等离子喷涂层的重熔处理

把喷涂好的试样进行电弧重熔，采用直流正接法，钨极直径为 2.4 mm，钨极形状为50°尖角形；氩气纯度为99%，气流量为10 L/min；电流分别为50 A，60 A，90 A，焊接速度为6 mm/s，弧长为2 mm，此时焊缝成形较好，具有熔宽大熔深浅的特点。重熔后将其放在空气中自然冷却，得到重熔涂层。

1.5 金相观察

将喷涂和重熔后的试样用线切割数控机床进行切割，然后用水砂纸打磨后抛光处理，然后使用40%硝酸酒精溶液腐蚀。用Nikon eclipse MA100型光学显微镜观察涂层和重熔层的截面形貌。

2 试验结果及分析

首先通过光学显微镜对不同重熔参数下涂层和重熔层的截面形貌进行观察和分析，然后使用扫描电子显微镜(SEM)对重熔层裂纹形貌进行表征，并对相应微区进行EDX能谱分析。

2.1 涂层表征

不同重熔参数下涂层的微观形貌如图2所示。图2a为未经重熔的涂层，可见其表面粗糙，内部有较多微小气孔和夹杂；图2b是电流为50 A的重熔层，其形貌与未重熔的相比明显致密均匀，气孔和夹杂数量明显减少，没有裂纹出现。图2c和图2d分别是电流为60 A和电流为90 A的重熔层，可见其截面形貌虽然更加致密，几乎没有气孔和夹杂，但是出现了明显的裂纹缺陷，其中电流为90 A时裂纹更加明显。

2.2 裂纹SEM观察与EDX能谱分析

图3是电流为90 A的重熔层中裂纹处SEM微观形貌对AB区域进行EDX能谱分析，得到两区域各元素所占的比例，见表2。可以看出，图3a中A区域O,Si元素含量较高，B区域B元素含量较高。

图2 不同重熔参数下涂层的截面形貌

图3 重熔层(90 A)裂纹处微观形貌

元素A区域质量分数原子分数B区域质量分数原子分数BK——24.3638.61CK12.1823.1020.6129.40OK24.6735.1511.4512.26FeL26.0410.6322.576.92SiK26.2921.3321.0112.82NiL10.839.80——

3 讨 论

镍基涂层进行TIG重熔之后，重熔层表面和截面的成型均较好，内部孔隙、夹杂物显著减少。但经过微观分析可知，部分重熔层内部存在裂纹缺陷，未完全实现TIG重熔的目的，下面对裂纹形成原因及解决措施进行分析。

3.1 裂纹出现的原因

经分析可知，重熔层出现的裂纹为热裂纹中的结晶裂纹。

从材料的内因考虑，影响重熔层形成裂纹的冶金因素主要是喷涂粉末的化学成分，试验所用的Ni基粉末属于热喷涂常用粉末，其中B,Si元素含量较高，虽然采用该粉末能得到质量良好的喷涂层，并在热喷涂中得到广泛应用，但是重熔后B,Si元素容易造成裂纹缺陷。当重熔层中B元素含量较高时，将弱化晶界，易形成裂纹，降低重熔层的韧性；而Si易于在金属中形成低熔点共晶组织，在金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓的“液态薄膜”，此时由于收缩而受到了拉应力，液态薄膜就成了薄弱地带，在拉应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。

重熔层形成裂纹的一个重要外在原因就是重熔电流。由于电流大小主要影响熔深，当采用较大电流时，熔深较深，此时重熔层所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的地方，所以容易引起裂纹；反之，当采用较小电流时，裂纹倾向就较小，如图4所示。

3.2 解决思路

镍-铬-硼-硅系自熔合金是镍基自熔合金中的重要体系，具有硬度高、耐磨性好的优点，但是综合考虑重熔层中结晶裂纹产生的原因，需要从成分和工艺两个方面入手加以解决。

图4 电流大小对裂纹倾向的影响

3.2.1适当调整喷涂粉末的成分

加入对焊缝有细化和抗热裂作用的合金，如Mo,V,Ti,Nb,Zr,Al及稀土元素等，以改变结晶组织的形态，细化晶粒，从而提高抗裂性能。Ce,La,Y等稀土元素极易与其它元素反应，生成稳定的化合物，在重熔层凝固过程中可以作为结晶核心、增加形核率，并吸附于晶界阻止晶粒长大，细化枝晶组织。同时，稀土元素与S,O的亲和力极强，又是较强的内吸附元素，易存在于晶界，既强化晶界又净化晶界，在内氧化层前沿阻碍氧化过程继续进行，可明显提高高温抗氧化性能和耐腐蚀性能。另外，稀土还可有效改善重熔层的显微组织，使硬质相颗粒形状得到改善并在熔覆层中均匀分布。

3.2.2采用适当的工艺措施

由上述试验结果可以看到，重熔层的裂纹倾向随着重熔电流的增大而明显增加，因此应尽可能采用较小的电流进行重熔。此外，为了减小重熔后的冷却速度，也可以采用重熔前预热或者重熔后缓冷的措施。

4 结 论

(1)采用TIG工艺可以对Ni基等离子喷涂层进行重熔处理，重熔层成型良好，内部气孔、夹杂缺陷明显减少。

(2)Ni基重熔层有裂纹倾向，可以采用以下解决方案：调整粉末成分，在粉末中加入对焊缝有细化和抗热

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裂作用的合金元素；采用适当的重熔工艺，即尽可能采用较小的电流，或者采取重熔前预热或重熔后缓冷的措施。

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TG402

2017-06-21

国家自然基金面上项目(51675158);河北省自然科学基金(E2016202325);河北工业大学大学生创新创业训练计划项目(DCI201710080070)。

刘 明，1996年出生，大学本科。

董天顺，1968年出生，副教授。