用等离子喷涂工艺制备GCr15 钢表面镍基合金涂层

    慧聪表面处理网讯：镍基合金具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性能，是较为理想的涂层材料。在钢铁材料表面采用等离子喷涂技术制备镍基合金涂层，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，是减少机器部件损耗的有效方法，有望明显提高钢铁材料部件的使用寿命。最近，江苏科技大学采用等离子喷涂工艺在GCr15钢基体上制备Ni60B合金涂层，取得了良好结果。试验用的涂层材料为KF-Ni60B粉末，粒度约为-140～+325目，粉末的化学成分为0.5～1.0C、3.0～4.5B、3.5～5.5Si、15.0～20.0Cr、＜5.0Ni，余量Fe(质量分数，%)。在喷涂前对试样进行预处理: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。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，发现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。

    从分析分析结果看，对结合强度影响最大的是功率。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。当功率为30kW时得到的涂层强度达到50MPa以上，但功率继续增大到35MPa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。结果表明，功率达30kW时，已经达到熔融粉末的效果。如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30kW时，合金粉末熔合较好，撞击基体时变形也良好。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，飞行速度也降低，都会影响涂层质量。但由于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90～120mm范围内时，飞行中一直保持熔融状态，且与基体润湿性较好，所以喷涂距离对涂层影响不大。

    正交试验结果表明，喷涂功率为30kW，送粉速率为30g·min-1，主气流量为75L·min-1，喷涂距离为105mm时，能达到最佳结合强度。在本试验条件和最优组合下，涂层的结合强度可达近59MPa。

    涂层与基体的结合性能是涂层的一个重要指标，是其发挥作用的前提，也是优化涂层制备工艺参数的一个重要依据，涂层的失效部位多在涂层与基体的结合处。显微组织观察表明：等离子喷涂涂层是由变形的颗粒层层堆叠而成的。涂层中存在两种结构组织，一种是原料未熔化，但由于撞击而有一定变形的粉末，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。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。经过参数优化，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，提高了涂层结合强度及其质量。