管内约束碳化钨粉末电爆喷涂涂层的特性
朱亮，张鹏飞，乔河涛，毕学松，石茂虎
高电压技术
摘要：为实现用碳化钨粉末作为喷涂材料制备电爆喷涂涂层，开发了一种连续送粉的管内约束电爆喷涂方法，试验研究了初始电压及喷涂距离对涂层特性的影响。结果表明：在一定的喷涂距离范围内，这种方法可以使碳化钨颗粒全部以熔融状态形成液相涂层，这类涂层致密度较高，与基体有较高的结合强度，当喷涂距离很小时，如１ｍｍ，涂层表面呈现气相沉积的特征。随着喷涂距离的增大，爆炸产物中部分熔融粒子开始凝固成固相颗粒，形成含有固相颗粒的涂层，这种涂层的致密度下降，与基体结合强度较低。随着初始电压的升高，获得液相涂层和含有固相颗粒的涂层的喷涂范围增大。
关键词：管内约束；碳化钨；粉末；电爆喷涂；喷涂距离；涂层特性；热喷涂
０ 引言
电爆喷涂（ｅｌｅｃｔｒｏ－ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｐｒａｙｉｎｇ）是一种以强大的脉冲电流使导体熔化、汽化、膨胀，发生爆炸，产生冲击波力学效应，使爆炸产物高速喷射到基体表面形成涂层的方法［１］。电爆喷涂大部分以丝作为喷涂材料，如Ｎｉ丝［２］、Ｍｏ丝［３］、Ｃｕ丝［４－５］、ＺｎＯ丝［６－７］等；部分还以箔［８］作为喷涂材料进行喷涂。由于大多数喷涂材料以粉末形式存在，因此，使用粉末作为喷涂材料有一定的应用优势。粉末电爆喷涂首先将粉末烧结成线材作为喷涂材料［９］，或者将粉末装入氧化铝管中制成粉末柱［１０］后在圆管工件内壁上喷涂。这些适用于圆管内的喷涂方法对喷涂距离有一定限制，喷涂距离只能是圆管半径。为了在喷涂过程中能有效控制喷涂距离，文献［１１－１２］研究了粉末定向喷涂方法：将粉末装入由内层绝缘管和外层金属套组成的管状容器中，容器侧面开一窗口，从而对喷涂方向加以限制，爆炸产物从窗口喷射出来撞击到基体表面形成涂层。上述方法都需要将喷涂材料与电极可靠接触来完成电爆［１３－１５］，这种接触式导入电流的电爆喷涂方法容易发生电极烧蚀。
近来提出了气体放电式导入电流的电爆方法［１６］，可实现电极与喷涂材料互不接触，通过气体放电将电流导入喷涂材料，减轻对电极的烧蚀，并便于填装喷涂材料。研究人员对电爆过程中气体放电导入电流的工作机制已有了较清晰的认识［１７－１８］；同时试验研究了气体放电过程中充电电压、电极间距与击穿气隙之间的关系［１９］；利用数值模拟仿真分析了适合实际电爆过程的最佳气隙长度［２０］；还利用气体放电导入电流的方法在爆炸腔的约束作用下制备了Ｍｏ涂层；分析了喷涂距离对涂层厚度分布以及涂层与基体结合情况的影响［２１］。
基于气体放电式导入电流的工作机制，本文提出了一种连续送粉的管内约束电爆喷涂方法，使用碳化钨粉末作为喷涂材料，利用自行研制的连续送粉管内约束电爆喷涂装置进行试验，研究不同过程参数下所得到的涂层的特性。
１ 试验方法
图１是连续送粉管内约束电爆喷涂过程的基本原理。高压发生器向储能电容Ｃ充电，在两电极之间建立起高压电场。粉末通过送粉装置被连续均匀地送到传送带上，并随传送带一起进入约束管。当到达一定位置时，粉末与电极之间发生气体放电将大电流导入粉末发生爆炸，爆炸产物在约束管的约束作用下从开口端喷射出来与基体发生撞击形成涂层。粉末通过传送带不断送入到约束管内，进行下一次喷涂。约束管用具有消融作用［２２］的聚乙烯材料制成，其内径为６ｍｍ；两电极间距为５５ｍｍ；储能电容Ｃ为８．８８μＦ；Ｌ为约束管开口端距基体的距离即喷涂距离。
采用１５０～３２５目的碳化钨粉末作为喷涂材料，其ＳＥＭ微观照片如图２所示。送入约束管内的粉末单位长度的质量为１．１６３ ６ｍｇ／ｍｍ。试验所用基体为＃４５钢。在制备涂层前，基体表面用砂纸打磨以除去其表面的氧化膜和油污。在大气环境中，改变初始电压Ｕ及喷涂距离Ｌ进行电爆喷涂试验，初始电压Ｕ分别取１０、１１、１２ｋＶ，喷涂距离Ｌ的取值范围为０～２５ｍｍ。将得到的涂层沿横截面剖开，对涂层截面打磨、抛光。利用扫描电镜（ＳＥＭ）观察涂层表面及截面形貌，研究不同过程参数下得到的涂层的特性。
２ 试验结果
在３种初始电压Ｕ下改变喷涂距离Ｌ进行系列试验。采用机械刮擦方法对所得涂层的结合强度进行初步检测。从试验结果可以看出，喷涂距离Ｌ对涂层结合强度有很大影响。在３种初始电压Ｕ下，当喷涂距离Ｌ大于一定值时，涂层经刮擦即可脱
 
落，没有形成有效的涂层，该喷涂距离称为最大有效喷涂距离Ｌｍａｘ。试验分析可以得出，最大有效喷涂距离Ｌｍａｘ随着初始电压Ｕ的变化而变化：Ｕ＝１０ｋＶ时，Ｌｍａｘ＝１５ｍｍ；Ｕ＝１１ｋＶ时，Ｌｍａｘ＝１９ｍｍ；Ｕ＝１２ｋＶ时，Ｌｍａｘ＝２３ｍｍ。在３种初始电压Ｕ下，对喷涂距离Ｌ在０～Ｌｍａｘ范围内所得到的涂层进行分析。通过对涂层表面及截面形貌的分析，结合对涂层结合强度的检测结果，可按特性归纳出以下３类涂层。第１类是当喷涂距离Ｌ很小时，得到的涂层表面分布着μｍ级的球形颗粒，在高倍显微镜下观察到颗粒表面以及颗粒之间都存在“针状”的气相沉积形态，如图３（ａ）所示。初始电压Ｕ越高，涂层中气相沉积的区域越大。从涂层截面上看，涂层与基体结合紧密，但涂层厚度不均匀，如图３（ｂ）所示。对涂层与基体的界面进行能谱分析，可以看到界面处约１～２μｍ范围内存在Ｆｅ与Ｗ原子的相互扩散现象，如图３（ｂ）所示，说明涂层与基体界面存在冶金结合。涂层的结合强度依据标准ＶＤＩ３１９８［２３］通过压痕法
  
进行检测，该标准将涂层的结合强度分为６级，从ＨＦ－１级到ＨＦ－６级逐级递减，试验评定该涂层的结合强度为ＨＦ－１级，属于结合强度最高的一种。根据以上特征，将这种类型的涂层称为有气相沉积特征的涂层。
第２类是当喷涂距离Ｌ增加到一定程度时，得到的涂层表面上有液相凝固后的形态，如图３（ｃ）所示。从涂层截面上看，涂层与基体结合紧密，涂层厚度均匀，如图３（ｄ）所示。同样对涂层进行能谱分析，其结果与第１类涂层相同，也存在Ｆｅ与Ｗ原子的相互扩散现象，如图３（ｄ）所示。涂层的结合强度同样用压痕法进行评定，检测结果也为ＨＦ－１级。这类涂层表面有液相凝固后形态的涂层称为液相涂层。
第３类是当喷涂距离Ｌ较大时，所形成的涂层表面粗糙，涂层中存在数μｍ大小的固相颗粒，颗粒之间疏松地结合在一起，如图３（ｅ）所示。从涂层截面上看有固态颗粒存在，涂层致密度较低，如图３（ｆ）所示。随着喷涂距离Ｌ的增大，涂层中固相颗粒增多，涂层致密度下降。这类致密度低的涂层结合强度较低。本文将具有上述特征的涂层为含有固相颗粒的涂层。
依据上述分类，本文对初始电压在１０ｋＶ、１１ｋＶ及１２ｋＶ、不同喷涂距离Ｌ下所得到的不同特性的涂层进行归纳，可得到图４所示的关系。在这３种初始电压Ｕ下，随着喷涂距离Ｌ的增大，涂层特性具有相同的变化趋势。由有气相沉积特征的涂层逐渐转变为液相涂层，进而转变为含有固相颗粒的涂层，最后将无法形成有效涂层。
３种初始电压Ｕ下，形成具有气相沉积特征的涂层的喷涂距离Ｌ均不超过１ｍｍ，液相涂层和含有固相颗粒的涂层可在较大范围的喷涂距离Ｌ上获得。初始电压Ｕ越高，获得液相涂层和含有固相颗粒涂层的喷涂范围越大。从实际应用来看，希望在较大的喷涂范围内获得致密度较高的液相涂层。
３ 讨论
常规热喷涂方法，如等离子喷涂，对碳化钨粉末进行喷涂时，得到的涂层中存在未熔融的碳化钨颗粒［２４］。而采用管内约束电爆喷涂方法可以使碳化钨粉末完全熔化，并部分汽化，使碳化钨以熔融的形态撞击到基体表面形成涂层。从含有固相颗粒的涂层中观察到的固相颗粒与图２所示的碳化钨颗粒的形态完全不同，它是熔融的碳化钨凝固后撞击到基体上得到的。图５给出了随喷涂距离Ｌ变化而形成的不同特性涂层示意图，下面对不同特性涂层的形成进行分析。
爆炸产物中熔融粒子和气相成分从约束管开口端喷射出来，当喷涂距离Ｌ很小时，即在气相沉积范围内，爆炸产物到达基体表面时形成图３（ａ）所示的有气相沉积特征的涂层。当喷涂距离Ｌ超过气相沉积区域时，爆炸产物中的气相成分吸附到熔融粒子上，或凝华成固相粒子，到达基体表面时的爆炸产物主要是熔融粒子，形成图３（ｃ）所示的液相涂层。随着喷涂距离Ｌ的进一步增大，部分液相成分开始凝固成固相颗粒，在基体上形成图３（ｅ）所示的含有固相颗粒的涂层。在以上喷涂距离Ｌ下都能得到具有
 
一定结合强度的涂层。当熔融粒子凝固后形成的固相颗粒的数量增加到一定程度时，将无法形成有效涂层。当初始电压Ｕ升高时，输入到粉末上的能量增加［２０，２５］，导致爆炸产物中气相成分所占比例增大，从而使有气相沉积特征的涂层中气相沉积的区域增大。初始电压Ｕ越高，电爆后熔融粒子的温度越高，运行的距离越远，从而使获得液相涂层和含有固相颗粒涂层的喷涂范围越大。文献［２６］通过电爆Ｃｕ分析了喷涂距离Ｌ与涂层特性的关系。电爆Ｃｕ所形成的有气相沉积特征的涂层和液相涂层的喷涂距离Ｌ较大，当初始电压Ｕ为９ｋＶ时，电爆Ｃｕ所形成的这２种涂层的喷涂距离可分别达到５ｍｍ和２５ｍｍ；从图４中可以看出，在较高的初始电压Ｕ下，如１２ｋＶ，电爆ＷＣ所形成的这２种涂层的最大喷涂距离分别为１ｍｍ和１１ｍｍ。这是由于碳化钨的熔点为２ ８７０°Ｃ，远高于铜的熔点１ ０８３°Ｃ，碳化钨电爆后其产物中的熔融粒子易凝固，凝固前运行的距离较短，从而使得形成有气相沉积特征的涂层和液相涂层的最大喷涂距离较小。
４ 结论
１）本文开发了一种连续送粉的管内约束电爆喷涂方法。
２）在一定的喷涂距离范围内，采用连续送粉的管内约束电爆喷涂方法可以使碳化钨颗粒全部以熔融状态形成液相涂层，这种类型的涂层致密较高，与基体有较高的结合强度，当喷涂距离很小时，涂层表面有气相沉积的特征。随着喷涂距离的增大，爆炸产物中部分熔融粒子开始凝固成固相颗粒，形成含有固相颗粒的涂层，这种涂层的致密度下降，与基体结合强度较低。
３）随着初始电压的升高，获得液相涂层和含有固相颗粒涂层的喷涂范围增大。
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