【摘 要】采用超音速大气等离子喷涂方法，在 Q235A 钢基体上制备了 NiCrBSi 涂层，并对涂层进行氧-乙炔火焰重熔处理。 利用扫描电子显微镜对重熔前后的涂层进行微观结构分析，并采用 X 射线衍射方法研究其相组成。发现重熔处理后涂层中缺陷减少，形成 Cr7C3、CrB、Cr2B 等弥散分布于 γ-Ni 的硬质相，提高了涂层的显微硬度和耐磨损性能。
【关键词】NiCrBSi；重熔处理；硬质相
0前言
磨损是最常见的材料失效形式之一，它所造成的经济损失是十分严重的。 为了增加材料的耐磨性能，提高使用寿命，利用热喷涂技术，在工件表面喷涂一层硬度高耐磨损性能好的合金涂层是一种常用的方法。 许多研究表明，喷熔涂层的耐磨损性能取决于零件磨损工况及喷熔涂层的显微组织结构等因素，而喷熔涂层的组织结构一方面与所选择的自熔合金粉末有关，另一方面与使用的喷熔工艺方法和参数有很大的关系[1]。 镍基自熔性合金（NiCrBSi）具有较好的力学性能和耐蚀性， 形成的 NiCr、Cr2B、Cr5B3、CrB 及一些碳化物有助于提高结合强度和硬度[2-3]。 涂层的制备方法也有很多种 ，常见的有激光熔覆 、火焰喷涂、等离子喷涂、高频感应熔覆、喷焊等等[4-7]。 其中等离子喷涂方法使用较为普遍，其参数调整方便灵活，沉积效率高，在耐磨耐蚀涂层制备方面应用广泛。
本文主要探讨利用超音速等离子喷涂技术制备 NiCrBSi 合金涂层，并对喷涂后的涂层进行火焰重熔处理，之后对涂层的显微组织进行检测分析，了解其微观结构变化对机械性能的影响。
1试验方法
所选用基体材料为碳素结构钢Q235A，试样尺寸为 80×40×5mm，表面经喷砂处理后粗糙度达到Ra=3.2μm，并用丙酮清洗。 喷涂材料选用 NiCrBSi 合金粉末，粒子尺寸在 50-150μm，形貌为球状，见图 1。
NiCrBSi 合金粉末中各元素成分（wt%）如下：B，3.3%；C，0.8%；Cr，16%；Fe，10.8%；Si，4%；Ni，其余。沉积涂层使用美国普莱克斯生产的超音速等离子喷涂设备，等离子枪为 SG-100 型。 喷涂前利用等离子焰流对基体进行预热处理，喷涂工艺参数为：电压 38V；电流 500A；氩气 40psi；氢气 10psi；喷涂距离110mm。 涂层的厚度约 0.4mm。 喷涂后的涂层经氧-乙炔火焰重熔后，制备金相试样，用 5%的硝酸酒精对界面和涂层部分进行腐蚀，使用扫描电镜观察涂层的微观结构，能量色散谱（EDS）分析涂层的成分，X射线衍射仪的 Cu 靶 Kα线进行相结构研究。用显微硬度仪分析横截面的显微硬度，测试点选取 10 个，取平均值，载荷砝码为 100g。 利用滑动摩擦磨损试验机进行磨损试验 15 分钟， 并用扫描电镜观察磨损区域的表面形貌。
2试验结果与分析
2.1 涂层的相结构与微观形貌
从对等离子喷涂后的 NiCrBSi 涂层进行衍射的结果中可以看出，其构成相较为单一，与激光熔覆或喷焊所获得的复杂相不同，主要为γ-（Ni，Fe）。大气等离子喷涂后的 NiCrBSi 涂层形貌，具有典型的热喷涂涂层结构特征，主要是由扁平化的粒子组成，其间夹杂熔化不完全的颗粒，存在部分孔隙。 图 2 为扫描电镜下的 NiCrBSi 涂层断面形貌，呈韧性断裂。 可以观察到细小的未熔化粒子。 由于超音速等离子喷涂速度较快，粉末送入后，个别粒子来不及熔化便沉积在涂层中，但大部分的熔化粒子撞击基体后，形成扁条状组织。
选取涂层中的白点密集区域进行能谱分析，结果表明其主要成分为 Ni，质量百分比为 47.8%，其余物质则由 Si、Cr、Fe、C 和 O 组成。图 3 为经氧-乙炔火焰重熔后的 NiCrBSi 涂层， 可以发现涂层结构产生变化，元素富集形成枝晶状组织，原有的缺陷基本消失。 火焰重熔处理对于整个涂层来说，使各种合金元素相互扩散，形成 Cr7C3、CrB、Cr2B 等弥散分布于 γ-Ni（主要是 Ni-Cr）的硬质相 。 一般来说 ，Cr7C3维氏硬度可以达到 1450HV，而 CrB 可达 1300HV。 经过重熔处理，由于加热充分和元素的扩散效应明显，涂层与基体能够形成冶金结合，较之等离子喷涂形成的主要是机械结合的涂层，其结合强度大幅提高。
2.2 硬度测试
围岩覆盖厚度的确定，还要根据围岩的构造情况，对Ⅰ、Ⅱ类围岩，岩石新鲜或微风化岩体，岩层完整性好，覆盖岩体抗内水压力的上抬作用，不仅靠岩体的自重，还有岩块间的抗剪作用，即使上覆围岩厚度不到 0.4 倍的水压力，也能保持稳定。 而风化破坏较严重的Ⅲ、Ⅳ类围岩。 由于完整性较差，则覆盖岩层厚度应取大于 0.4 倍的内水压力的数值。
2.2 衬砌型式的选择
衬砌形式的选择与围岩条件紧密相连，当水工隧洞的内水外渗会引起一些严重危害(如围岩失稳、边坡失稳、周围建筑物失稳等)时，防渗常常是一个重要因素，另外，隧洞的运行条件、施工方法等也是衬砌形式选择要考虑的方面。例如，不衬砌及喷锚衬砌的糙率大，运行中产生的水头损失也大，只适应于流速较小的隧洞。 当隧洞采用双护盾掘进机施工时，这种施工方法决定了衬砌形式只能采用预制钢筋混凝土管片的装配式衬砌。
以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形式的流程如图 2 所示，有时还需进行经济比较后再确定衬砌形式。
3结语
本文系统总结了衬砌的各种型式及其相应的优缺点、 适应范围，确定了影响衬砌型式选择的重要因素，得出了以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形式的流程图，为之后水工隧洞断面设计中衬砌型式选择提供了依据。
参考文献略
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