金屬基體噴焊層抗拉強度的測試方法

王傳鴻(四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434024)

0 引言

石油鉆采領域及機械制造領域中，經常需要表面耐腐蝕、耐磨、隔熱、抗氧化等各種不同功能的金屬零件，而熱噴涂工藝很好的滿足了對金屬零件的這些要求。無論噴涂方式還是噴熔(噴涂+熔化，冶金結合)方式形成的基體與噴涂材料的結合，都存在涂層結合強度與噴焊層抗拉強度是否滿足要求的問題。本文就熱噴涂噴焊層抗拉強度測試進行探討，提出試驗用拉伸組件，便于更好的選擇適合基體的噴涂材料，確定噴焊層厚度。

1 必要性分析

涂層抗拉結合強度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結合面上剝落下料所需要的力[1]，它是熱噴涂涂層設計與應用的一個最基本的重要的性能參數。熱噴涂技術[2]作為表面工程學的一個重要組成部分，是一種表面防護和表面強化技術。熱噴涂工藝后，金屬與噴涂材料之間的結合強度以及噴焊層的抗拉強度，直接影響金屬零件的使用效果與壽命。

當金屬與噴涂材料之間的結合強度或者噴焊層的抗拉強度小于實際工況下的最大壓力時，噴焊層會發生脫落，變形或斷裂等諸多問題。所以為了獲得滿足各種功能(耐腐蝕、耐磨、隔熱、抗氧化等)的金屬零件，我們不僅需要研究金屬與噴涂材料之間的結合強度，還需要檢測噴焊層的抗拉強度。只有當二者均大于使用工況下的最大壓力時，才能確保在基體完好的情況下，噴焊層不發生脫落，變形或斷裂等問題。

2 結合強度測試方法研究

測定金屬基體抗拉強度最行之有效的方式是通過拉力機對拉伸試棒進行拉伸試驗，同樣，對熱噴涂后的金屬零件進行噴焊層抗拉強度的測定，也可以通過拉伸試驗完成。

2.1 設計拉伸試樣

圖1所示為噴焊層抗拉強度測試所用的拉伸試樣組件。其中，試樣1是由件1(如圖2所示)與件2 (如圖3所示)通過熱噴涂工藝形成的一個整體。在加工件1與件2時，應最大程度的保證分型面與中心軸線的垂直度、分型面的平面度以及內孔與外圓的同軸度。

圖1 拉伸組件1

圖2 件1

圖3 件2

理論上，可以直接用拉伸試樣進行測試，但考慮到拉伸試樣中件1與件2螺紋的同軸度影響，故設計圖1所示的拉伸組件1。件1與件2通過件3、件4及緊固件連接。裝配后即為噴涂前拉伸試樣組件1。組件中其余零件的作用是，最大程度的減小拉伸過程中，熱噴涂結合面受到的徑向剪切力，使得拉伸試驗檢測結果更準確。

拉伸試驗后，通過查看斷裂位置及試驗數據分析，可以確定金屬基體和噴涂層選用是否合適。如果斷裂位置在件1與件2的分型面處，那么試驗結果中的抗拉強度就代表噴焊層的抗拉強度，說明金屬基體和噴涂層之間的結合強度大于噴涂層自身的抗拉強度；如果噴焊層斷裂位置在件1或者件2上，這就相當于附著在件1或者件2上的噴涂層脫落，那么實驗結果中的抗拉強度就代表金屬基體與噴涂層之間的結合強度，此時金屬基體和噴涂層之間的結合強度小于噴焊層的抗拉強度。經過熱噴涂工藝處理的零件，通過對比拉伸試驗得到的相關數據與實際工況需滿足的數據，可以判斷金屬基體、噴涂材料，以及噴涂層厚度是否滿足要求。

下面就拉伸組件的加工與裝配做具體分析。首先，加工圖1所示的件1、件2、件3和件4；然后，按照圖4所示進行裝配，裝配后，加工組件外圓面、螺栓兩端頂針孔及噴涂槽，形成噴涂前拉伸試樣組件1。

圖4 噴涂前拉伸試樣組件1

考慮在拉伸過程中，件1與件2的分型面無法實現理想貼合狀態，這會導致貼合處為拉伸最為薄弱的位置。鑒于此，另外加工如圖5所示的噴涂前拉伸試樣組件2，可將相關的拉伸結果作為參考。組件2在件1與件2貼合的位置增加了內凹圓弧，可補足件1和件2面貼和不理想導致的薄弱。

圖5 噴涂前拉伸試樣組件2

組件裝配并完成加工后，按照需求進行熱噴涂，噴涂工藝依照零件實際需要的噴涂工藝來定。熱噴涂后，將組件中的螺栓、螺母、彈性墊圈與平墊圈拆除，加工試樣外圓面及內螺紋孔，至此，拉伸試樣加工完成，如圖6與圖7所示。需特別注意，加工后的拉伸試樣，噴焊層的截面面積與實際產品噴焊層的截面面積相同。

圖6 熱噴涂后拉伸試樣1

圖7 熱噴涂后拉伸試樣2

理想的拉伸試樣需滿足：噴焊層外圓與螺栓孔同軸；熱噴涂結合面與螺栓孔同軸。將拉伸試樣與件3、件4、螺栓及螺母按照圖1進行裝配并進行拉伸試驗。

2.2 對拉伸試樣進行抗拉強度檢測

以柱塞噴涂層抗拉強度測試為例，試驗組件中件1、件2、件3與件4材料有20#和40Cr兩種，噴涂材料為Ni60粉末。噴涂過程由零件供應廠商完成，采用2次噴涂方式，首先將Ni60粉末噴涂在組件噴涂凹槽內并填滿，然后二次高溫加熱使噴涂層均勻附著在組件上。試樣數量、材料及測試結果如表1所示。

表1 拉伸試樣數量、材料及測試結果

表1中序號3、4、5拉伸試樣的應力-應變圖如圖8所示。

圖8 序號3、4、5拉伸試樣應力-應變圖

拉伸試驗后的拉伸試樣如圖9所示，所有試樣斷裂處均位于分型面，屬于應力畸變區域硬質合金面的斷裂，所以拉伸試驗得到的抗拉強度即噴焊層的抗拉強度。其中僅序號2所示的拉伸試樣1在試驗后，分離的件1和件2可以復原，其余4組均因噴焊導致變形而無法復原。

圖9 拉伸試驗后的拉伸試樣

3 結語

文章提出噴焊層抗拉強度的測試方法，并設計了拉伸組件的結構，為檢測噴焊層抗拉強度提供了思路。用文中給出的拉伸組件進行試驗，可以檢測噴焊層的抗拉強度，確定基體與噴涂材料的配對是否為最優，也可用來確定噴涂層厚度對產品的實際影響。