CuNiCoBe合金表面等离子弧喷涂Cr3C2- NiCr涂层
陈 健，崔 庭
焊接技术
摘要： 利用等离子弧喷涂技术在结晶器 CuNiCoBe 基体上制备了 Cr3C2-NiCr 涂层， 采用正交试验法研究了喷涂工艺参数对涂层与基体结合强度的影响， 对拉伸断面的形貌和涂层的显微结构进行了观察和分析。 结果表明， 影响 Cr3C2-NiCr 涂层与 CuNiCoBe 基体结合强度的主次因素依次为： 送粉速率>主气流量>喷涂距离>喷涂功率； 经正交试验优化后的喷涂工艺参数为： 喷涂距离 90 mm， 主气流量 56.6L/min， 送粉速率 20 g/min， 喷涂功率 25 kW； 优化后， 涂层与基体的结合强度可达 18.5 MPa； 涂层截面的显微硬度分布符合正态分布。
关键词： 等离子弧喷涂； 结晶器； Cr3C2-NiCr 涂层； 结合强度； 显微硬度
0 引言
作为连铸生产的关键设备， 结晶器的性能和工作的可靠性直接影响到连铸生产率及铸坯质量。 由于近年来连铸生产向高速化发展，结晶器铜板的消耗量也与日俱增。 由于结晶器铜板工作面与高温钢液接触，而背面通以冷却水， 因此， 在结晶器内存在很大的温度梯度及热应力， 其工况极其恶劣［1-3］。 为保证连铸生产的正常进行， 结晶器铜板应具有良好的导热性、 较高的强度、 足够的硬度、 耐磨性和抗变形能力， CuNiCoBe 合金能很好地满足这些要求，是结晶器的理想材料之一［4-6］。 为进一步提高结晶器的性能， 延长结晶器的使用寿命， 可对结晶器铜板表面进行强化处理。 最常用的方法为电镀， 但近来，热喷涂技术正逐步取代电镀， 成为连铸结晶器铜板表面改性最重要而且也是最有效的方法［7-8］。
等离子弧喷涂是一种采用刚性非转移型等离子弧为热源， 加热熔化喷涂粉末并使其加速撞击工件后沉积形成涂层的热喷涂方法［9］。具有焰流温度高、粉末熔化状况好、可选喷涂材料范围宽广、沉积效率高、涂层致密、涂层与基体结合强度高等优点［10］。
因此，等离子弧喷涂适合于在结晶器铜合金板上制备各种功能涂层。Cr3C2-NiCr 具有良好的耐磨、 耐腐蚀、 抗高温氧化性能，被大量用作金属表面保护的热喷涂材料，且不会与钢液发生反应， 适合作为结晶器铜板表面涂层材料， 以延长结晶器的使用寿命［11-13］。 但目前关于在结晶器CuNiCoBe 合金板上等离子弧喷涂 Cr3C2-NiCr 涂层的报道极少。 本试验通过正交试验法研究了等离子弧喷涂工艺参数对Cr3C2-NiCr 涂层与 CuNi-CoBe 合金基体结合强度的影响， 为等离子弧喷涂技术在提高结晶器使用寿命方面的应用提供了依据。
1 试验
1.1 试验材料与设备
基体材料为CuNiCoBe 合金 ， 试样尺寸为 准25mm×5 mm， 喷涂前用丙酮清洗去除油污后进行喷砂处理。 喷涂所用粉末为北京矿冶研究总院金属材料研究所生产的烧结型Cr3C2-NiCr 复合粉 ， 成分为w（Cr3C2）70%和w（NiCr）30%合金， 粉末粒度 30~45μm。 喷涂设备为 Praxair/TAFA 公司生产的 3710 型等离子弧喷涂设备，配SG-100 型喷枪， 采用枪外送粉方式。喷涂使用的主气和载气为氩气，辅气为氦气。
1.2 试验方法
等离子弧喷涂工艺参数的选择对涂层的质量影响极大， 等离子弧喷涂工艺过程较复杂， 有数百个影响因素， 其中， 至少有 10 几个独立的参数对涂层的性能及使用寿命起关键作用［14］。 本试验主要选择喷涂距离、 主气流量、 送粉速率、 喷涂功率 4 个主要工艺参数， 设计了四因素三水平的 L9 （34）正交表进行喷涂试验［15-16］，具体工艺参数见表1。 其他参数为：载气流量10 L/min， 喷枪移动速度 200 mm/s，步距3 mm， 基体预热温度为 150 ℃， 涂层厚度控制在0.5~0.6 mm。
试样喷涂好后， 用双组分环氧型 E-7 胶将试样与加载块胶结成拉伸试样。
按GB/T 8642—2002 要求， 用 CMT5205 型万能拉伸试验机对胶结好的试样进行拉伸试验， 每组 3 个试样， 取其平均值。 采用JSM-6480 型扫描电子显微镜对涂层的显微组织结构进行观察， 并采用牛津 INCA 能谱仪对涂层微区进行成分分析。 采用 MH-5 型显微硬度计检测涂层截面的显微硬度， 载荷为 10 N， 加载时间为 15 s， 测点间隔0.02 mm。
2 结果分析
2.1 正交试验结果分析
按照正交试验方案设计的等离子弧喷涂参数制备涂层， 测定涂层与基体的结合强度， 正交试验结果与极差分析见表2。 由表 2 可以看出， 不同工艺参数下涂层与基体的结合强度区别比较大， 表明各工艺参数对涂层与基体的结合强度影响程度不同。表2中使用B1 组参数制备的涂层结合强度最高。 通过位级计算， DI′>DII′>DIII′， EII′>EI′>EIII′， FII′>FIII′>FI′， GII′>GI′>GIII′，优选方案为D1E2F2G2， 即经正交优化后的
喷涂工艺参数为喷涂距离
90 mm、 主气流量为 56.6
L/min、 送粉速率 20 g/min、 功率 25 kW。 采用上述正交试验优化后的参数进行喷涂， 涂层与基体的结合强度达到了18.5 MPa， 高于优化前的结合强度。
由表2 极差计算结果可知 ， 送粉速率是影响涂层结合强度最主要的因素， 极差达到 2.78 MPa； 主气流量次之，极差达到1.79 MPa； 喷涂距离对涂层结合强度的影响稍小， 极差为 1.45 MPa； 喷涂功率对结合强度的影响最小， 仅为 0.55 MPa。 根据因素效应最大值和最小值的差值来判断因素对指标影响的主次［17］， 4个因素对涂层结合强度影响的大小依次是： 送粉速率>主气流量>喷涂距离>喷涂功率。
图1 为拉伸试样的断面宏观形貌。 图 1a 为 B1组试样， 可看出由于工艺参数选择合理， CuNiCoBe 基体未氧化， 该组试样涂层与基体的平均结合强度达到12.10 MPa， 发生断裂后仍有约 30%的涂层未从基体上脱落； 图 1b 为 C1 组试样， 可以看出涂层已与基体完全剥落， 涂层与基体的结合强度较低。
2.2 涂层的显微组织分析
图2 为涂层的显微组织。 经能谱微区成分分析并结合涂层材料的成分构成可知涂层中深灰色块状区域为Cr3C2， 其周围浅灰色的呈条状分布的区域为NiCr 合金。 在喷涂过程中， 粉末颗粒中的 NiCr 合金由于熔点较低首先迅速熔化， 并且润湿和溶解周围细小的Cr3C2颗粒， 使 Cr3C2颗粒表层变形、 熔化，撞击到基体上形成变形充分的NiCr 合金包裹着的Cr3C2颗粒层层堆叠而成的层状分布结构。 B1 组试样较C1 组试样的喷涂功率小而送粉量大， 在保证喷涂过程中粉末充分熔化的同时， 单个粒子受热较少，减小了粒子在飞行过程中的氧化， 因此 B1 组试样形成的涂层其层与层、 粒子与粒子之间结合良好 （图2a）， 比 C1 组试样 （图 2b） 更加致密 。 因此 B1 组试样在
9 组试样中拥有最高的结合强度。
2.3 涂层的显微硬度分析
图3 为 B1 组试样涂层中平行于涂层与基体结合面方向的显微硬度分布曲线。由图3 可见， 涂层的显微硬度存在较大的不均匀性， 这是由涂层结构本身的特殊性和所采用的喷涂材料决定的。
由极限定理初步推断试样表面显微硬度测试值应符合正态分布，由柯尔莫哥洛夫检验法 （又称K检验法） 进一步验证。 设表面显微硬度值为x， 检验假设： H0： X～N （μ， σ2）由于μ， σ2均未知。
3 结论
（1）影响涂层与基体结合强度的因素的主次关系为：送粉速率>主气流量>喷涂距离>喷涂功率。
（2）本试验得出的等离子弧喷涂合理的工艺参数为： 喷涂距离90 mm， 主气流量 56.6 L/min， 送粉速率20 g/min， 喷涂功率 25 kW。
（3）采用优化后的喷涂工艺参数喷涂的Cr3C2-NiCr 涂层与 CuNiCoBe 铜合金基体的结合强度高达18.5 MPa。
（4） Cr3C2-NiCr 涂层的显微硬度分布离散性较大，但符合正态分布。
参考文献略
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