摘要: 采用等离子喷涂工艺在 GCr15 钢基体上制备 Ni60B 合金涂层。通过正交试验法分析了喷涂工艺参数对涂层的结合强度的影响。其影响顺序自强至弱依次为功率、送粉速率、主气流量、喷涂距离。在功率为 30 kW、送粉速率为 30 g·min－ 1、主气流量为75 L·min－ 1、喷涂距离为 105 mm 时，涂层结合强度最高，达到 59． 311 MPa。相结构分析结果表明，涂层材料未发生明显改变，保持了原始粉末性能。SEM 观察结果表明，优化后的涂层组织更加紧密，质量明显提高。
关键词: 等离子喷涂; 正交试验; 工艺参数; 结合强度
在材料表面采用等离子喷涂技术制备涂层，能够大幅度的提高材料的耐磨、耐蚀、抗氧化和耐热冲击性能［1］，是减少机器部件损耗的有效方式［2］，成为表面强化和修复的首选方法。通过等离子喷涂技术进行材1． 2 喷涂前预处理及喷涂工艺参数按照 GB/T 8642—2002《热喷涂 抗拉结合强度的测定》加工基体试样。基体试样加工成 25 mm ×10 mm，喷涂前对试样进行如下预处理: 打磨—超声波清洗—石英砂喷砂—酒精清洗。
等离子喷涂时，采用氩气作为载气，氮气为辅气，影响喷涂效果的因素很多，根据多次探索性试验确定喷涂距离、主气流量、送粉速率及喷涂功率为主要参数，本试验主要研究上述参数对涂层性能的影响。选择 L9( 34) 正交表，进行三水平、四因素正交试验。参数选择如表 2 所示。
1． 3 涂层结合强度测定
根据实际需要，喷涂的涂层厚度约为 0． 25 mm，依据 GB/T 8642—2002 进行粘结拉伸试验，采用 E-7 高温结构胶作为胶接剂，将涂层与加载块胶接起来，按照使用说明进行装夹和固化( 如图2 所示) ，将胶结固化好的拉伸试样在 CMT5305 微机控制电子万能试验机上室温拉伸。图3 所示为涂层拉伸过程示意图，拉伸时加载速度为165 N/s，直至试样拉开( 涂层剥落) ，记录下此时的载荷 F。用如下公式［6］计算涂层的结合强度:
PL= FL/ SP
L—涂层结合强度( MPa) ; FL—拉伸极限载荷( N) ; S—涂层与基体结合面积，即拉伸试样的截面面积( m2) 。
为减少试验误差，同时减少工作量，以 3 次拉伸试验值的平均值作为该涂层的结合强度。
2 结果及分析
2． 1 正交试验结果分析
等离子喷涂质量中涂层的结合强度是最关键指标，以涂层结合强度为指标分析正交试验结果。表 3 中所示为试验结果，从极差分析结果来看，喷涂功率对结合强度的影响最大，其它依次为: 送粉速率 ＞ 主气流量 ＞喷涂距离。根据正交试验结果，喷涂功率为30 kW，送粉速率为30 g·min－ 1，主气流量为 75 L·min－ 1，喷涂距离为105 mm 时，能达到最佳结合强度。最优组合为A2B2C2D1，最接近的试验为 4 号试样 A1B2C2D1，且本试验中因素 A( 喷涂距离) 对结合强度的影响最小，按照正交试验分析理论，可以把 A 列视为误差分析列，因此最优水平下的结合强度应接近与 4 号试样的结果 58． 611 MPa。根据文献［7］给出的计算方法，最优组合下的估计值可计算为:
∵ F( 2，2，2，1) － F( 1，2，2，1) = ( F0+ F2A+ F2B+F2C+ F1D) － ( F0+ F1A+ F2B+ F2C+ F1C)F2A－ F1A= F－2A－ F－1A= 30． 054 － 29． 671 = 0． 383∴ F( 2，2，2，1) = F( 1，2，2，1) +0． 383 =58． 994( MPa)由上述计算可知，本试验条件和最优组合下，可能的涂层结合强度为 58． 994 MPa。
2． 2 影响因素的分析结果
各因素对涂层结合强度的影响如图 4 所示。由图4( d) 可见当喷涂距离从 90 mm 增大到 120 mm 时，涂层结合强度基本不受喷涂距离的影响。一般而言，粉末在等离子焰流中加热和加速都需要一段时间，需一个合适的喷涂距离。距离过近，会因粉末加热不良，撞击变形不充分; 距离过远则粉末熔化后又冷却，且粉末飞行速度也降低，都会影响涂层质量［8］。而镍基粉末为自熔性材料，粉末熔点相对较低，易于熔化，在喷涂距离为 90 ～120 mm 时，在飞行一直保持熔融状态，且与基体润湿性较好，对涂层影响不大。
由图 4 ( c) 可见，主气流量在 70 L· min－ 1到80 L·min－ 1变化时，涂层结合强度先增大后略减小。当主气流量过小时，工作电压下降，焰流软弱无力，粉末不能够在焰流中充分熔融且撞击到基体上，涂层结合强度不高; 当流量过大时，离子浓度降低，过量的气体使焰流的温度下降，不利于粉末加热，从而又影响涂层质量。由图 4( b) 可见，当送粉速率由 25 g·min－ 1增加到 35 g·min－ 1的时候，涂层的结合强度则先增大后减小。当功率保持不变，粉末的送粉速率小，粉末熔融相对充分且撞击良好，但粉末容易受热氧化和烧蚀，涂层中夹杂着烟尘，使得涂层质量下降。若粉末送粉速率过大，可能造成粉末熔化不良，涂层中夹杂生粉多，涂层的空隙疏松较多，涂层质量也会下降，因此只有送粉速率适当，才容易获得结合强度较好的涂层。
由图 4( a) 可见对结合强度影响最大的是功率，功率为30 kW 时得到的涂层强度达到 50 MPa 以上，但功率增大到35 MPa 及以上时涂层强度急剧下降，表明热喷涂时功率要精确控制，且不可过高。通常功率过小会造成粉末熔化不良，涂层夹杂生粉较多，沉积效率低，显然本试验中所取的功率起始值( 30 kW) ，已经达到熔融粉末的效果，当功率不断上升甚至过高时，粉末存在烧蚀，涂层的层间会有烟尘，严重影响结合强度，故可判断在 30 kW 时，合金粉末熔合就较好，撞击基体时变形也良好。
2． 3 涂层的优化结果及组织性能研究
在优化参数( A2B2C2D1) 下，进行喷涂试验并测其结合强度为 59． 311 MPa，较之前面的估算结果( 58. 994 MPa) 相比只有 0． 53% 的误差，证明估算结果是准确的反映了实际情况。本试验条件与正交试验中第 4 组相比，只有喷涂距离参数有所变化，且由正交试验分析可知，喷涂距离在本试验中对结合强度影响不大，故优化结果与第 4 组结合强度较近( 相差 1． 18% ) ，这也证明试验结果符合实际情况，达到了优化的效果。
1) 涂层的物相分析
等离子喷涂涂层是由变形的颗粒层层堆叠而成的，林锋等人［9］研究表明，等离子喷涂涂层是由未熔化的原料和熔化摊平的片状结构构成。优化后涂层表面的 SEM 图像如图 5 所示。由该图可知，涂层中存在两种结构组织，一种是原料未熔化，但由于撞击存在一定变形的粉末，另一种是原料完全熔化，高速冷却后平铺在基体或先沉积的涂层上。通过 XRD 分析对比喷涂前后相变情况，如图 6 所示，在喷涂前后，涂层粉末并没有发生明显的相变，保持了原始粉末的相结构，因而保留了高硬度等特点。
2) 涂层微观组织及缺陷分析
如图 7( a) 和( b) 所示为正交试验中涂层结合强度比较差的第 5 组试样与工艺优化所得试样断面扫描电镜二次电子像的比较。可见在涂层结合强度差的试样中，涂层与基体结合界面处的间隙明显、孔洞较多，且可见粉末堆叠时产生的较细间隙。在等离子喷涂过程中，熔融的粉末颗粒高速喷射到基体材料上，被撞击成扁平状，后面的粒子沉积在先前将冷却的粒子上，这样就会导致涂层内部层间只能以机械结合方式堆叠［10］，在图 7( b) 中可见，扁平粒子相互堆叠。故从微观而言，颗粒间接触面积对涂层结合强度的影响很关键。这些孔洞、间隙均降低了涂层与基体以及涂层层间的接触面积，从而影响涂层质量，对其它性能也有较大的影响。
由图 7( c) 和( d) 优化后的涂层截面形貌可知，相比较优化前，涂层间间隙和孔洞数量明显减少，结合更加致密，增大了涂层与基体以及涂层间的接触面积，提高涂层结合强度和其质量，达到优化的预期效果。
3 结论
1) 影响等离子喷涂 Ni60B 涂层与基体结合强度的因素主次顺序是: 功率、送粉速率、主气流量、喷涂距离。并在功率为 30 kW，送粉速率为 30 g·min－ 1，主气流量为 75 L·min－ 1，喷涂距离为 105 mm 时，此时结合强度较高，达到 59． 311 MPa。
2) 涂层是由熔融或半熔融的粉末堆叠而成，呈片状结构; 且喷涂前后，涂层基本保持了原始粉末的相。
3) 对比优化前后，优化后涂层较为致密，涂层质量明显提高。
参考文献略
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