镍铝材料状态对火焰喷涂层组织结构和性能的影响
李文兴，雷阿利
铸造技术
摘 要：针对煤矿机械液压支柱热喷涂修复中涂层结合强度低的实际，研究了在 27SiMn 钢基体上火焰喷涂新研制的镍铝合金丝制备镍铝涂层，并与火焰喷涂镍包铝粉末、镍铝复合丝制备的镍铝涂层在组织结构、表面形貌、结合强度等方面进行了比较分析。结果表明，镍铝合金丝制备的涂层与基体之间主要为冶金结合，结合强度比镍包铝粉末涂层提高 46.8%，比镍铝复合丝涂层提高 8%，涂层组织结构致密，气孔率低、质杂少。
关键词：火焰喷涂；镍铝合金丝；过渡涂层；结合强度
热喷涂技术是修复煤矿液压支架立柱简单有效的方法。在技术中，过渡层对提高涂层的结合强度十分重要［1~3］。长期以来过渡层材料选用镍包铝粉末［4］，但在喷涂时，镍包铝粉末是一边飞行一边加热，加热时间短，粉末的热焓低、熔化程度差、在基体上变形不充分，使形成的过渡涂层组织不均匀、结合强度提高不明显。针对此问题，有人将镍包铝粉末灌入铝管中制成丝材，开发了镍铝复合丝［5］；
本文作者将镍、铝材料经过配料、真空熔炼、 凝固冷却、 拉拔开发出一种新的镍铝合金丝，在27SiMn钢基体上用火焰喷涂这种合金丝制备过渡层，并且同镍包铝粉末、镍铝复合丝过渡涂层在组织结构、表面形貌、结合强度等方面进行了比较分析。 为进一步提高涂层的结合强度和选用合适的过渡涂层材料提供理论依据。
1 实验
1.1 实验材料
镍铝合金丝制作：以Ni:Al=95:5(质量百分比)配料，经熔炼、加工成可以满足热喷涂工艺要求的准1.5 mm合金丝； 镍包铝粉末为北京矿业总院生产的热喷涂粉末(48~59 μm)；镍铝复合丝选美国Moter公司的准3 mm热喷涂镍铝复合丝。
2.2 涂层制备
2.2.1 喷涂基体试样准备
（1）基体选用
27SiMn钢棒材 ， 加工成准20 mm×35 mm的圆柱体， 用于涂层结合强度试验；准20 mm×5 mm圆片，用于涂层微观分析。
（2）试样表面用丙酮除油。
（3）按照工业生产中热喷涂表面处理要求， 对试样表面进行喷砂粗化处理。
2.2.2 喷涂工艺及工艺参数
喷涂镍铝合金丝和复合丝 利用QX-I型氧乙炔丝材喷枪，调节氧气0.5 MPa， 乙炔1 MPa， 压缩空气0.6~0.8 MPa，保持喷距为180 mm左右，以水平、垂直、45° 3个方向各喷涂1遍，试样的喷涂层厚度＞0.4 mm。
喷涂镍包铝粉末 用QT-E-7/Ⅱ型氧乙炔火焰粉末喷枪，首先调节氧气压力为0.5 MPa， 乙炔压力为1 MPa，然后调节气体流量使火焰处于中性焰，开始送粉并进行喷涂。喷涂距离、喷涂角度以及涂层厚度与丝材喷涂相同。
2.3 涂层性能及组织检测
涂层结合强度检测采用拉伸法［6］，黏合剂选用E-7胶。首先对空白的对偶试样进行喷砂处理，然后与检测试样用E-7胶对接。 对接后的试样在室温凝固10 h后，在130~150 ℃下固化4 h左右， 又在空气中放置24 h以上，再进行强度测试。
试样的断裂可能有3种形式。 第1种是断裂发生在胶层内，表示胶接强度小于喷涂层的结合强度，试验结果无效。 第2种是断裂发生在热喷涂涂层内，表示喷涂层与基体的结合强度大于喷涂层内部粒子间的结合强度，测得的结果是涂层内部粒子的结合强度，即涂层自身抗拉强度；当涂层自身抗拉强度比粘结强度低时，进一步提高涂层的结合强度已没有意义， 此时以涂层自身抗拉强度为粘结强度。第3种是断裂发生在涂层与基体的界面上， 这时测得的结果是喷涂层与基体间的结合强度。
涂层的组织结构采用GX71金相显微镜观察，涂层形貌采用JSM-6650F扫描电镜分析。
3 结果与分析
3.1 涂层截面组织观察与分析
对喷涂试样进行镶样→磨样→抛光处理， 观察涂层的截面组织，结果如图1。 可见，涂层均为层状结构，但基体上铺展程度不同，使得层状组织结构各不相同，其中镍铝合金丝涂层层状结构最好， 镍铝复合丝介于中间，镍铝粉末涂层层状结构质量最差。镍铝合金丝制备的涂层的层间结合面更加紧密， 涂层中几乎无气孔和夹杂等，颗粒在基体上铺展最好，看不到喷涂粒子的存在，涂层质量最高。这主要是由于镍铝合金丝是经过真空熔炼加工成组织单一的镍铝固溶体， 且材料成分均匀，在热喷涂镍铝合金丝时，必须使合金丝熔化才能被喷涂的气流吹走，合金丝的熔点比铝管的熔点高，合金丝喷涂时飞行的粒子温度必然高于复合丝， 因此合金丝熔化更充分，熔化颗粒雾化效果好、颗粒变形更充分，接触到基体后与基体结合紧密。另外接触到基体的镍铝合金粒子温度达到熔点， 粒子与基体的热交换和质量交换更充分，因此涂层与基体间存在冶金结合。
3.2 涂层表面SEM形貌观察与分析
涂层表面形貌扫描电镜观察结果如图2所示。 可见， 火焰喷涂镍铝合金丝制备的涂层表面形成凝固后的收缩镜面反射效果，说明喷涂材料的杂质含量低、熔化效果好、熔化粒子的铺展性较好、层间结合紧密。 镍包铝粉热喷涂涂层中夹杂着大量末熔化粉末， 粉末熔化效果非常差， 形成的涂层明显是由熔化粒子和半熔化粒子堆集而成，又含有许多气孔。这主要是由于粉末的加热时间短，粉末仅仅是表面熔化所致。镍铝复合丝涂层是由熔化颗粒交错堆积而成， 同时夹杂着少量未熔化粉末颗粒， 涂层表面看不到镍铝合金丝那样的镜面，说明喷涂的粒子熔化没有像镍铝合金丝那样充分。比较图2(a)、(b)、(c)可知，镍铝合金丝制备的涂层最密实，粒子的熔化最好，涂层的杂质含量最少。 镍包铝粉末制备的涂层密实性最差，粒子的熔化不好，涂层的杂质含量最多。 镍铝复合丝制备的涂层介于镍铝合金丝和镍包铝粉末制备的涂层之间。
3.3 结合强度检测结果与分析
涂层与基体之间的结合强度是评价涂层质量的最重要指标， 是涂层技术和使用者共同关注的一个焦点问题［7，8］。表1是27SiMn钢基体上涂层的结合强度试验结果。 可以看出，镍铝合金丝、镍铝复合丝涂层的结合强度相差不大，但合金丝涂层是从界面断开，复合丝是从涂层断开， 说明复合丝与基体的结合强度大于测试值，而合金丝制备的涂层内部强度最大。镍包铝粉涂层结合强度最低， 合金丝涂层与基体的结合强度比镍包铝粉涂层的结合强度提高46.8%， 比镍铝复合丝的结合强度提高8%左右。
为了清晰地辨明涂层断裂的位置，特意制备1 mm左右厚的涂层，由于涂层厚度增加,造成的应力集中加大，因此测试值较实际值低。由表1可见，镍铝合金丝的结合强度最高为51.7 MPa， 与铜表面超音速火焰喷涂WC-12Co涂层结合强度相近［9］，比反应火焰喷涂梯度陶瓷涂层高［10］，但是，镍包铝粉末的结合强度最低，镍铝复合丝的结合强度与镍铝合金丝的结合强度接近。
镍铝合金丝的结合强度高出镍铝复合丝的结合强度不多的原因可能是，镍铝合金丝喷涂时温度最高，粒子雾化的最好，喷涂层为冶金层，但涂层冷却时收缩应力最大。相比较镍铝复合丝制备的涂层虽然粒子熔化的没有镍铝合金丝那么充分，而收缩应力也小于镍铝合金丝制备的涂层，因此两者的结合强度相差不大。
由表1还可见，镍铝合金丝制备的涂层结合强度测试时，断裂面在界面，而镍铝复合丝、镍包铝粉末制备的涂层，断裂面在涂层内部， 这是由于镍铝合金丝制备涂层时熔化的充分， 涂层内部为冶金结合， 应力主要集中在界面，使涂层内部的强度高于界面。镍铝复合丝和镍包铝粉末在喷涂时，由于粒子熔化不充分，使得涂层内部的强度低于界面的结合强度。
4 结论
（1）采用氧气-乙炔火焰喷涂，镍铝合金丝材料熔化充分，制备的涂层表面形成凝固的金属收缩镜面，颗粒变形更充分，接触到基体后与基体结合紧密，涂层中几乎无气孔和夹杂等，形成的涂层质量高。
（2）镍铝合金丝涂层的结合强度比镍包铝粉末涂层的结合强度提高46.8 %。
（3）在27SiMn钢表面以镍铝合金丝、镍铝复合丝、镍包铝粉末制备热喷涂层， 镍铝合金丝涂层的内部强度高于界面的结合强度，镍铝复合丝、镍包铝粉末制备的涂层内部强度低于界面的结合强度。
参考文献略
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