電弧噴涂陶瓷涂層在發動機零部件修復中應用

賀彥赟 詹長書 林曉暉 戚成功 呂 寧 王 攀

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

電弧噴涂是材料表面強化和修復的一種新技術，也是表面工程學科中的重要分支，涂層具有結合強度高、耐磨損和耐高溫氧化等特點[1]，因其生產效率高、成本低且環保，在近40年間得到了迅速發展，特別是在汽車工業方面，為了提高汽車的燃油經濟性且適應環保的需要，其已廣泛應用于發動機曲軸、氣缸套、同步環、活塞環,發動機氣門挺桿以及氧傳感器探頭等發動機部件的修復[2,3]。近年來，隨著X射線衍射技術(XRD)的迅速發展，其在材料研究等領域獲得了廣泛應用[4]。本文采用X射線衍射法(XRD)對Al2O3,NiCr-Cr3C2,TiO2復合陶瓷粉芯絲材噴涂涂層進行了物相分析、結晶度和微觀應變相應研究，為復合陶瓷粉芯絲材在汽車工業中的實際應用提供理論依據。

2 實驗部分

2.1 樣品制備

采用QD8-400型電弧噴涂系統進行噴涂，噴涂材料為委托北京工業大學制造的Fe基復合粉芯線材(其配方設計見表1)，絲材外皮采用0.5 mm×12 mm的低碳鋼帶，絲材直徑為2 mm。基體材料為Q235鋼，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，噴涂前試樣用汽油或丙酮清洗，然后用棕剛玉在STR-9000型噴砂設備上進行噴砂粗化處理。噴涂工藝參數為電壓22 V～25 V，電流200 A～300 A，噴涂距離為180 mm～220 mm，涂層厚度約為1.5 mm。

表1 粉芯絲材的配方設計 %

2.2 測試條件和方法

使用 X’Pert3 Powedr型X射線衍射儀(荷蘭帕納科公司)測定衍射強度，其工作條件為：CuK α輻射，管壓40 kV，管流40 mA,采用θ～2θ連續掃描方式，掃描范圍：5°～80°，步長0.006 5°,掃描速度為4°/min。利用MDI Jade 6.5軟件包(USA Materials Data Inc)對獲得的XRD圖譜進行定性分析，利用圖譜擬合法對涂層進行結晶度和微觀應變的相應計算。

3 結果與討論

3.1 物相分析

如圖1所示，其中Al2O3和TiO2陶瓷粉末在工業上主要以熔煉燒結的方法制造[5]，圖1b)的圖譜顯示，粉末中的相成分為CrC和Cr2Ni3,通常NiCr-Cr3C2為包覆型粉末，以Cr3C2為芯核材料，在芯核材料的表面包覆一層Ni金屬，利用液相包覆或固相包覆的方法生產，屬于混合物。圖1c)中TiO2粉末主要以金紅石相和Ti8O15等形式存在的低價氧化物，利用絕熱法求得粉末中金紅石相和Ti8O15相的質量分數分別為36.1%和63.9%，表明粉末中的主要相為Ti8O15馬格涅利相低價氧化物。

從圖2可以看出，2號涂層的主要物相為α-Fe，Al2O3和TiO2，粉芯中的Al2O3和TiO2陶瓷粉末在噴涂的過程中沒有分解，表明Al2O3和TiO2陶瓷粉末具有高熱穩定性、高熔點、耐氧化等特點。同時，這些硬度較高的氧化物鑲嵌在涂層內部，起到了彌散強化作用，提高了涂層的硬度。4號涂層的物相組成較為復雜，涂層中除了α-Fe,Al2O3和TiO2相以外，還存在FeCr2O4,NiCr2O4及Fe2TiO4等氧化物相。粉芯中的TiO2陶瓷粉末在電弧噴涂過程中與Fe形成少量的化合物，但保留了大部分TiO2相在涂層中。涂層表面生成的連續、致密的FeCr2O4復合氧化膜，對金屬內部起到了良好的保護作用，提高了涂層的抗熱腐蝕性能[6]，粉芯中的NiCr-Cr3C2粒子在飛行過程中因表面溫度過高而分解。

3.2 結晶度分析

由圖3發現，1號～3號涂層都在一些特定2θ角附近都出現衍射峰，但不同涂層在相同衍射角出現的衍射峰又有一些差異，如在34°時，1號～3號涂層出現的衍射峰強度依次減弱，而峰形寬度卻依次增加，1號涂層的衍射峰強度最強，3號涂層的衍射峰強度最弱，且衍射峰最寬。物質的結晶度越好，對應的衍射峰強度越高，越尖銳，反之則結晶度越差。因此推測不同涂層的結晶度有所不同。

對1號～3號涂層的XRD數據進行擬合處理，計算涂層的結晶度數據，所得計算結果見表2～表4。

表2 1號涂層結晶度

表3 2號涂層結晶度

表4 3號涂層結晶度

結晶度表示晶體結晶的完整程度或完全程度，由計算結果可知，1號～3號涂層的結晶度平均值依次降低，說明隨著Al2O3粉末的比例增加，涂層的結晶度呈下降趨勢。這由于隨著Al2O3粉末比例的增加，Al2O3顆粒高速撞擊基體后，在快速冷卻的過程中部分熔化的Al2O3扁平顆粒在冷卻和再結晶的過程中形成非晶相[5]，從而使涂層結晶度降低。涂層中Al2O3相的存在可以使涂層的硬度顯著增加，但是隨著絲材中Al2O3粉末比例的增加，涂層的硬度并沒有顯著增加[8]，由結晶度分析是由于涂層中的Al2O3相的結晶度降低所導致。

3.3 微觀應變分析

表5 涂層的微觀應變

從表5中可以看出，4號涂層微觀應變的平均值明顯低于2號涂層，當涂層噴涂結束后，在涂層與基材一起冷卻凝固的過程中，由于二者線膨脹系數不一致將產生微觀應變。將涂層的XRD圖譜與標準的物相PDF卡片對比可得知，噴涂后涂層的衍射峰變寬，主要是涂層內部產生了微觀應變，Ni的加入明顯降低涂層內的微觀應變[8]。

4 結論

1)加入粉芯絲材中的Al2O3,TiO2和NiCr-Cr3C2陶瓷粉末，經過電弧噴涂后與低碳鋼帶形成化合物，經X射線衍射分析，涂層中除Fe以外，主要相仍為Al2O3和TiO2，NiCr-Cr3C2陶瓷粉末在噴涂過程中全部分解，主要與Fe化合成FeCr2O4,NiCr2O4及Fe2TiO4等氧化物相，其中的氧化物相具有硬度高、耐高溫、耐腐蝕等特點，涂層可以較好的適應發動機中高溫、環境惡劣的特點。2)將涂層XRD圖譜數據擬合后進行涂層結晶度的計算，結果表明，隨著絲材中Al2O3粉末比例的增加，涂層的結晶度依次下降，隨著絲材中Al2O3粉末比例的增加，涂層硬度值的增加并不明顯，分析可知是涂層中結晶度下降所導致。3)涂層的微觀應變計算結果表明，當絲材中加入NiCr-Cr3C2陶瓷粉末后，使涂層與基材的線膨脹系數差異減小，顯著降低了涂層的應變值。