純Ti表面電火花沉積CoCr合金涂層的界面行為研究

李亞龍 涂秋芬

摘 要：以CoCr合金為電極，采用電火花沉積技術在純Ti表面沉積CoCr合金涂層，研究涂層的硬度、表面狀態、微觀結構和相組成。結果表明：合金涂層硬度為430 HV，約為基底的4倍；涂層厚度為40～60 μm；涂層與基體間存在元素相互擴散，發生反應形成了冶金結合層，主要成分為Cr2Ti和Cr1.97Ti1.07。

關鍵詞：電火花沉積；CoCr涂層；界面行為

中圖分類號：TG401 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）17-0174-03

1 電火花沉積

電火花沉積是一種脈沖微弧焊工藝，原理是高電流的短脈沖把電極材料沉積到基體金屬表面，電極材料在等離子弧的作用下熔化并在基體表面形成高硬度、耐磨性好的涂層，使基底材料表面的物化性能和力學性能得到改善。與傳統的表面強化技術如等離子滲氮、離子注人、等離子噴涂技術等相比，它具有結合強度高、基底變形小、操作靈活等優點[1-3]，目前廣泛應用于被磨損工件表面的修復以及在工件表面制備高硬度、高強度、耐磨耐腐蝕涂層[4，5]。電火花沉積技術已經成為材料表面改性工程領域重要的手段。本文以純Ti為基底沉積CoCr合金涂層，主要研究合金涂層的界面行為和表面特征。

2 樣品制備和工藝參數

采用DZ-4000III型堆焊機，脈沖頻率為400～1 600 Hz，直徑為3 mm的CoCr合金電極棒，基底是邊長為10 mm的純Ti立方塊。樣品制備：先用200#，400#，600#，1000#的砂紙打磨基底；然后拋光，使表面呈鏡面狀；再用丙酮清洗樣品表面的油污，用吹風機吹干；把處理好的樣品固定，在1 400 r/min的轉速下沉積涂層。涂層的電火花沉積工藝，見表1。

涂層制備后，采用HV-1000 型顯微硬度計測量涂層的顯微硬度，載荷為50 g，加載時間為10 s；采用JSM-560LV掃描電鏡和三維表面輪廓測定儀檢測涂層斷面、表面及三維形貌；使用EDS能譜儀和X射線衍射儀對涂層的元素分布和相結構進行分析。

3 實驗結果與分析

3.1 CoCr涂層的顯微硬度

CoCr合金涂層表面到基底的顯微硬度分布圖，如圖1所示。結果表明，涂層表面的硬度達到430 HV，約為基底純Ti顯微硬度110 HV的4倍，這是因為涂層中含有大量的CoCr合金相，存在很高的位錯密度；過渡層具有適中的硬度240 HV，這與涂層在沉積過程中過渡區的相組織細化有關，也證明涂層表面改性成功。

3.2 CoCr涂層的斷面形貌和表面形貌分析

純Ti 基底表面CoCr涂層的斷面形貌圖，如圖2所示。由圖可看出，涂層較為連續的較嵌入基體，且之間有一條不均勻的熔合線，熔合線低于基底表面，說明涂層和基底材料有一定程度的熔滲，由于短時間內的超高溫度，等離子弧將熔化的電極金屬熔敷過渡到基底，與基底結合形成合金涂層。涂層上孔洞的存在可能是在沉積的過程中，電極移動和保護氣流不均勻，摻雜進了空氣形成氣孔，使涂層剝落形成的。

CoCr合金涂層的表面形貌圖，如圖3-a 所示。從圖中可以看出，合金涂層表面并不均勻，呈現凹凸狀，還有一些飛濺和裂紋，可能是因為沉積脈沖產生的瞬間高溫使合金熔化甚至氣爆，熔滴中的CoCr合金和基底Ti擴散、合金化，濺射到基材表面，而且由于冷卻速度較快，合金熔滴在沉積完后會快速收縮、凝固，會在基底表面產生較大的熱應力和組織應力，在沉積層出現飛濺和裂紋；隨著沉積時間的增加，沉積過程中多次產生的飛濺由于其不均勻性，堆疊在沉積層表面甚至產生氣孔。CoCr合金涂層的三維形貌圖，如圖2-b所示。由圖可以看出，CoCr合金涂層比較致密，厚度為40-60 μm，且粗糙度變化較小，且涂層表面過渡相對平緩，沒有明顯的高度突變，表明CoCr合金涂層表面形貌性能較好。

3.4 CoCr涂層的成分分析

基底和涂層中Co，Cr，Ti元素的成分變化曲線，如圖4所示。

由上圖可以看出，沉積層中的Co，Cr元素含量明顯高于基體，從涂層到基體明顯的減少，Ti元素含量卻相反。這表明，基底和涂層在沉積過程中元素發生了相互擴散；但是由于脈沖時間極短（10-6～10-5 s），且Co， Cr元素是由沉積層向基底過渡擴散，Ti元素由基底向沉積層過渡，元素并不能充分的擴散，在涂層和基底間形成了三種元素的擴散區；同時由于沉積層溫度高于基底的溫度，在接近表面處，基底的Ti元素更容易向涂層擴散，所以圖4中Ti元素的過渡相對平緩，而Co， Cr元素含量下降更快。

3.5 CoCr涂層的相結構分析

基底和涂層過渡區的相結構X射線衍射圖譜，如圖5所示。通過對涂層的X射線衍射圖譜分析可得出，基體由單一相Ti組成，其X衍射為Ti的峰，如圖5-a所示。圖5-b表明合金涂層和基底Ti的過渡區域中除了單相Ti外，還有強化相Cr2Ti， Ti5Si4及Cr1.97Ti1.07等新相生成，以及其他一些峰值較小的相。這說明在沉積過程中，過渡區的組織也發生了變化，基底和電極發生了化學冶金反應，這和涂層的成分分析結果相對應。

由此可得出：電火花沉積不是簡單的涂鍍過程，而是電極材料和基底元素在沉積過程中在高溫條件下發生劇烈復雜的擴散和合金化等反應，在過渡區產生冶金結合，極大地提高了材料表面的物理化學性質。

4 結 語

①根據優化的工藝參數，在純Ti表面制備的CoCr合金涂層的顯微硬度為430 HV，約是基底硬度的4倍。

②涂層厚度不是非常均勻，約為40～60 μm，粗糙度變化較小。涂層表面有少量飛濺、裂紋和孔洞，但是涂層比較致密，且涂層和基底過渡較為平緩。

③在沉積過程中，涂層和基底在接觸界面處發生了元素的相互擴散，基底中的Ti元素向沉積層過渡，而沉積層中的Co， Cr元素向基底過渡。

④合金涂層與Ti基體的過渡層除了基底相外，還有Cr2Ti、Ti5Si4、Co2Si3及Cr1.97Ti1.07等強化相的生成，表明涂層與基體發生了化學冶金反應，為冶金結合。

參考文獻：

[1] 于華，林耀華.35CrMo鋼表面電火花沉積NiCr合金強化層特性的研究 [J].表面技術，2010，（4）.

[2] 王釗，陳薦，何建軍，等.電火花表面強化技術研究與發展概況[J].熱處理 技術與裝備，2008，（6）.

[3] 李占明，朱有利，孫曉峰，等.電火花沉積技術的研究與應用進展[J].熱加 工工藝，2013，（24）.

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