摘 要： 为了提高热喷涂涂层的致密度，降低涂层残余应力，提出了涂层喷涂锻造工艺。 以涂层结合强度和孔隙率为目标函数，以锻造温度、锻造次数和打击能量为变量，采用正交设计法进行了涂层锻造工艺参数优化设计，确定了因验证。 分别在 30°和 90°冲蚀角情况下，对未锻造试件和锻造试件进行冲蚀对比试验研究。 结果表明，经喷涂锻造工艺制备的涂层耐冲蚀性能明显优于未锻造试件。
关键词： 等离子喷涂；涂层锻造；致密化；冲蚀
喷涂锻造工艺是将热喷涂技术与热模锻工艺相结合而发明的一门新的喷涂技术。 其基本原理是首先利用热喷涂技术制备涂层， 然后通过热锻提高涂层的致密性，从而提高涂层强度和韧性，对于提高涂层质量具有重要意义。 目前，该技术除作者做过一些研究外[1-15]，没有相关报道。 涂层锻造工艺对涂层质量有显著影响，最佳工艺参数虽可通过大量试验获得，但既浪费材料又花费时间。在涂层制备工艺确定的情况下，锻造温度、锻造次数、打击能量是影响涂层性能的主要因素。 为提高涂层锻造质量，科学地优化工艺参数，本文综合考虑了上述三个因素对等离子喷涂涂层锻造质量的影响，以涂层结合强度和孔隙率为目标函数，以锻造温度、锻造次数和打击能量为变量，采用正交设计法进行了涂层锻造工艺参数优化设计，确定了各因素的主次关系，得到了最佳锻造工艺参数，并进行了锻造试验验证。 为了研究喷涂锻造工艺对涂层致密化的影响，运用自蔓延喷涂技术制备了三组试件，分别选取每组中的一个试件进行锻造处理， 对每组试件进行 30°和 90°冲蚀角的冲蚀实验研究，得到了每组试件质量损失曲线。 发现每组内锻造后的试件质量损失明显比未锻造试件的质量损失小，表明锻造工艺能明显提高涂层的致密度。
1 试验过程
1.1 涂层制备
喷涂材料为二氧化锆 (含 8%三氧化二钇)和CoNiCrAlY 粉末。 其中，前者占 80%(体积分数)，材料牌号为 KF-230，粒度为-200+325 目。 后者占 20%（体积分数），粒度-1400+325 目。 将各种粉末预混后得到复合粉末。 钢板表面喷砂。 等离子喷涂参数为：电流 400A；电压 140V；主气流量 3.0m3/h；氢气流量 0.25m3/h；喷涂厚度(双面)：0.8 mm。涂层试件锻造工艺为： 将涂层试件在电阻炉中加热至 1100℃后，用150kg 自由锻空气锤对锻件进行 3～5 次锻造，锻后空冷。 图 1~4 为等离子喷涂、试件、加热、热锻照片。
1.2 正交试验
正交试验设计法(简称正交设计)，就是用现成的正交表来设计实验方案的一种科学方法。 其目的是选取对实验影响最大的几个典型因素， 通过合理设计因素水平，优化出最佳的因素组合。由于用正交表来安排多因素实验，在所考查的范围内代表性强，就可以有步骤有计划地进行试验。实验结果出来后，只需对数据进行简单计算， 就能找出影响各因素的主次，对实验结果有一个明确的认识，进而找出较好的工艺条件。 本文选择以涂层结合强度和孔隙率为目标函数，锻造温度、锻造次数和打击能量 3 个主要因素为试验变量，每个变量均取 3 个变化值，正交试验因素与水平表如表 1 所示。 实验选用三因素三水平的正交表 L9(33)实验。
1.3 试验结果
试验结果列于表 3。 在正交试验计算表中：ki表示各因素列第 i 水平所对应的试验指标数值之和的平均值；R 表示各因素列的极差，等于各水平对应的试验指标平均值中的最大值减最小值。 由此可计算出本文的 ki(i=1，2，3)和各因素极差值 R。
2 工艺参数
2.1 试验结果分析
在表 2 中， 用ⅠA表示因素 A 取第 1 水平时相应的 3 个实验结果之和；用ⅡA表示取第 2 水平时，相应的 3 个实验结果之和；用ⅢA表示因素 A 取第 3水平时，相应的 3 个实验结果之和。由于结合强度和1.2 正交试验正交试验设计法(简称正交设计)，就是用现成的正交表来设计实验方案的一种科学方法。 其目的是选取对实验影响最大的几个典型因素， 通过合理设计因素水平，优化出最佳的因素组合。
2.2 选取最优水平组合
上述计算结果均列入表 3 中。 其中 Ιj0表示正交表中第 j 列的一水平所对应指标平均值， 由于因素A 放在第一列，所以 Ι1p=KA1，同理 Ι3p=KC1。
按照各列中ⅠjpⅡjp和Ⅲjp最大值可选择 A2，B3，C2为最佳工艺条件，该条件就是锻造温度为1100℃，锻造次数 5 次，打击能量 2.2 kJ。这是在 9 次试验中没做过的， 通过综合比较选出最优生产条件的指标，应比直接比较出的指标高。
2.3 分析因素主次
和前文中的分析一样，把三个因素分清主次。一个因素对试验结果影响大， 就是主要的， 所谓影响大， 就是这个因素的不同水平对应的指标之间的差异大。 反之亦然。 因此，以表 2 中的极差值的大小，可以判断各因素影响的主次。 极差值就是最大综合平均值减去最小综合平均值，即表 2 中的 R 所对应值 。 其 计 算 结 果 如 下 ：RA= KA2- KA1=38.4；RB=13；RC=10 极差值大者为主要因素，小者为次要因素，依照大小，因素主次为：A→B→C。
3 锻造组织分析
喷涂锻造工艺制备的涂层中的金属相与锻件表面的 Fe 焊合， 涂层中的陶瓷颗粒 ZrO2压入锻件表面的金属中，在高温、高压和化学因素作用下，在锻件表面形成一层与基体为冶金结合，组织致密，界面结合紧密、残余应力为压应力的组织结构,所以喷涂锻造工艺制备的陶瓷涂层具有优良的物理力学性能和较高的硬度、耐磨、耐腐蚀性能。
选取经过等离子喷涂处理后再经过锻造的试件b 和经过等离子喷涂处理的试件 a，测量二者的孔隙率、结合强度和显微硬度。 对比表 3 中数据可知，试件 b 的孔隙率比试件 a 的低， 结合强度和显微硬度比试件 a 的高。 对比试件 a 和试件 b 处理工艺的结果可知，锻造能明显降低涂层试件的孔隙率，增强试件的结合强度和显微硬度。
图 5 为涂层的断面形貌， 可以看出两种工艺获得的涂层均无明显分层、裂纹，也没有较大的孔洞，但相对而言，图 5(b)涂层显得比较疏松，疏松区内可观察到许多未充分粘合的细小分散的颗粒；而图5(a)等离子喷涂制备的涂层经过锻造后的试件则显得更为致密，涂层与基体结合紧密，界面没有明显缺陷。
4 冲蚀性能试验研究
运用等离子喷涂工艺制备了三组试件 (每组两件)，选取组内其中一件进行锻造处理，通过对比锻造试件和未锻造试件的抗冲蚀性能， 研究锻造工艺对涂层致密化和抗冲蚀性能的影响规律。 为了达到实验目的， 用不同工艺对相同的喷涂试件进行处理后，在扫描电子显微镜下对各试件表面对比观察，并进行分析。
各试件处理工艺为：试件 1，仅进行热喷涂；试件 2，进行热喷涂后锻造；试件 3，30°攻角进行冲蚀，未锻造；试件 4，30°攻角进行冲蚀，然后锻造；试件5，90°攻角进行冲蚀 ，未锻造；试件 6， 90°攻角进行冲蚀，然后锻造。
4.1 试件 1 和试件 2 的形貌对比
图 6(a)为试件 1 的表面形貌，图 6(b)为试件 2的表面形貌。对比试件 1 和试件 2 的工艺条件可知， 对试件2 的处理是在对试件 1 处理的基础上进行锻造。 由锻造工艺的原理可知， 试件 1 比试件 2 的组织更为致密，表面更为平整。从所得图片中我们能观察到这一点：图 6(a)中试件 1 表面粗糙度大，突起和凹陷较多， 可能是由于热喷涂中涂层材料和基体结合不均匀导致。 图 6(b)中试件2 表面粗糙度明显比试件 1的小，突起和凹陷也较少。
4.2 试件 3 和试件 5 的形貌对比
图 7(a)为试件 3 的表面形貌，图 7(b)为试件 5的表面形貌。对比试件 3 和试件 5 的工艺可知， 二者的冲蚀攻角不同。对比二者可以看到：二者的表面突起和凹陷都比较多，表面较为粗糙，符合热喷涂未锻造试件涂层的特点；从整体上看来，试件 5 的表面组织的分布均匀，表面没有大的剥落相，而试件 3 表面组织分布不均匀，局部有较大的剥落(见图 7(a)右上部)，分析可知攻角为 90°时，冲击区域受冲击均匀，剥落均匀，而攻角为 30°时，冲击区域受冲击不均匀，冲击较大的部分剥落较多，造成较大的缺陷。而冲击小的部分剥落较少，突起较多。
4.3 试件 4 和试件 6 的形貌对比
图 8(a)为试件 4 的表面形貌，图 8(b)为试件 6的表面形貌。对比试件 3 和试件 5 的工艺可知， 二者的冲蚀攻角不同。对比二者可以看到：二者表面的突起和凹陷都较少，表面相对平整，组织分布相对均匀，符合锻造后试件涂层的特点；试件 4 表面陶瓷相(白色区域)较多，试件 6 表面的陶瓷相(白色区域)较少，这是由于 90°攻角下冲蚀后试件 6 涂层损失部分较多，而 30°攻角下冲蚀时试件 5 涂层损失部分较少。
5 结论
(1) 等离子喷涂制备的涂层经过锻造后的试件，涂层更为致密，与基体结合也紧密，界面没有明显缺陷。
(2) 对锻造工艺而言， 各因素影响的主次顺序是：锻造温度-锻造次数-打击能量。 锻造最佳工艺参数为：锻造温度 1100℃，锻造次数 5 次，打击能量2.2 kJ。
(3) 喷涂锻造工艺制备涂层极大提升了耐磨和抗冲蚀性能。 实验中， 不管是在冲蚀攻角 30°还是90°的条件下，观察冲蚀磨损形貌，可以发现锻造后的试件的耐磨蚀能力明显高于未锻造的试件， 说明锻造工艺能明显提高试件的致密度， 从而提高涂层的内聚强度。 此外，从冲蚀磨损后的涂层表面，以及冲蚀坑周围磨粒冲刷和涂层剥离的痕迹来看， 磨料(冲蚀颗粒)对涂层的锤击作用在冲蚀过程中起主导作用。
参考文献略
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