采用火焰噴涂技術(shù)在316L不銹鋼表面制備Ni55A合金涂層，對(duì)涂層分別進(jìn)行火焰重熔和真空重熔處理，分析了重熔處理對(duì)涂層微觀形貌、硬度分布和孔隙率的影響。結(jié)果表明：火焰重熔和真空重熔可將火焰噴涂涂層的孔隙率從4.2%分別降低到0.34%和0.86%，并將基體與涂層界面處的結(jié)合狀態(tài)由機(jī)械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合；與火焰重熔相比,真空重熔后涂層與基體界面處的擴(kuò)散層厚度更大，組織更粗大，孔隙形狀更加不規(guī)則；火焰重熔和真空重熔后涂層的平均硬度分別提高了60,15HV，火焰重熔后涂層的硬度較高且硬度波動(dòng)較小。
1、試樣制備與試驗(yàn)方法
基體材料選用316L不銹鋼，加工成直徑為18cm的鋼球用于后續(xù)噴涂；涂層材料選用Ni55A鎳基自熔合金粉末，粒徑在50~100μm。用酒精對(duì)316L不銹鋼基體表面進(jìn)行沖洗，以去除油污及其他雜質(zhì)，然后放入自動(dòng)控溫爐中進(jìn)行預(yù)熱，溫度控制在200℃左右。使用涂噴焊兩用炬進(jìn)行火焰噴涂，調(diào)節(jié)氧氣壓力為0.5MPa，乙炔壓力為0.15MPa，火焰噴距為150mm，采用90°垂直噴凃，冷卻至室溫后分別進(jìn)行火焰重熔和真空重熔處理。選用SCR系列氧-乙烷重熔炬對(duì)涂層進(jìn)行火焰重熔處理，調(diào)節(jié)火焰噴距為150mm，噴槍移動(dòng)速度為5cm·min-1，以試樣表面出現(xiàn)“鏡面反光”的熔化現(xiàn)象作為停止火焰重熔的準(zhǔn)則。使用加壓氣冷真空燒結(jié)爐對(duì)涂層進(jìn)行真空重熔處理，將真空爐抽真空到10Pa后，升溫到1050℃保溫10min，升溫速率為8~15℃·min-1，隨爐冷卻。
采用電火花切割機(jī)在重熔前后的涂層試樣上截取金相試樣，經(jīng)砂紙打磨、機(jī)械拋光，采用光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)涂層截面形貌進(jìn)行觀察，通過ImageProPlus軟件在相同倍數(shù)的金相照片中對(duì)涂層的孔隙率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將金相試樣用飽和草酸溶液電解腐蝕3s后，用OM觀察涂層的顯微組織。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)重熔前后涂層的微觀形貌進(jìn)行觀察，并用SEM配備的能譜儀(EDS)對(duì)孔隙附近的微區(qū)成分進(jìn)行分析。采用維氏硬度計(jì)測(cè)試涂層試樣截面硬度，載荷為2.94N，保載時(shí)間為15s，測(cè)點(diǎn)間距為1mm。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 孔隙率
熱噴涂涂層是由接近熔融狀態(tài)的形狀和尺寸不一的變形顆?；ハ嘟诲e(cuò)層狀堆疊 在一起而形成的，不可避免會(huì)存在孔隙。由圖1可知，重熔前火焰噴涂制備的涂層中孔隙數(shù)量多，尺寸大，形狀不規(guī)則且分布不均勻，同時(shí)在涂層與基體的界面處分布著許多細(xì)長(zhǎng)且不規(guī)則的微孔隙。這是因?yàn)榛鹧鎳娡繃娚浞勰┑娘w行速度有限，高溫軟化的變形顆粒到達(dá)基體表面后冷卻，難以充分變形來完全填滿間隙，從而形成孔隙；同時(shí)部分呈熔融態(tài)的變形顆粒在凝固過程中發(fā)生體積收縮，也容易形成縮孔。經(jīng)過火焰重熔和真空重熔處理后，涂層中原有的層狀組織、條帶狀和近似圓形的較大孔隙消失，出現(xiàn)了尺寸大小不一的細(xì)小孔隙。這是因?yàn)橹厝圻^程中涂層再次熔化，液態(tài)材料重新填充孔隙，使得涂層組織更加均勻致密。統(tǒng)計(jì)得到火焰噴涂制備的涂層孔隙率為4.2%，經(jīng)過火焰重熔和真空重熔處理后涂層的孔隙率分別降低為0.34%和0.84%?？芍?種重熔處理對(duì)涂層孔隙率的降低均有顯著效果。
2.2 微觀形貌
由圖2可見：火焰噴涂制備涂層與基體之間存在較為清晰的界面，沒有明顯的過渡區(qū)域，無冶金擴(kuò)散現(xiàn)象，呈現(xiàn)典型的機(jī)械結(jié)合特征；噴涂時(shí)顆粒發(fā)生變形并逐漸堆積，導(dǎo)致涂層內(nèi)局部呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，并且存在條帶狀不規(guī)則孔隙、圓形孔隙和未熔顆粒等缺陷，部分孔隙內(nèi)存在夾雜物。上述層狀結(jié)構(gòu)和大量未填充孔隙表明火焰噴涂制備的涂層結(jié)構(gòu)不致密。
由圖3可以看到：火焰重熔后，涂層與基體界面處的擴(kuò)散層由緊鄰?fù)繉右粋?cè)厚度約為4μm的白亮帶與緊鄰基體一側(cè)厚度約為10μm的灰色組織組成；火焰重熔后原始涂層中的層狀結(jié)構(gòu)消失并形成了細(xì)小均勻的組織。真空重熔后，涂層與基體界面處的擴(kuò)散層由緊鄰?fù)繉右粋?cè)厚度約為60μm的白亮帶與緊鄰基體一側(cè)厚度約為60μm的淺灰色組織組成，并且在淺灰層與基體間出現(xiàn)晶粒尺寸逐漸增大的過渡區(qū)。真空重熔后涂層中的層狀結(jié)構(gòu)消失，涂層組織相對(duì)于火焰重熔后的組織更加粗大。在重熔過程中，涂層材料在接近液相線的溫度下發(fā)生了充分的浸潤(rùn)，涂層與基體界面處發(fā)生擴(kuò)散互溶而形成了擴(kuò)散層；擴(kuò)散層的形成實(shí)現(xiàn)了涂層與基體之間的冶金結(jié)合，確保了涂層具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度。由于真空重熔過程中試樣整體在高溫下的停留時(shí)間較長(zhǎng)，因此真空重熔涂層試樣的擴(kuò)散層厚度更大，組織更粗大。
由圖4可以看出：火焰重熔涂層中存在圓形孔隙和不規(guī)則孔隙。尺寸較大的圓形孔隙中存在球形夾雜物顆粒，由EDS分析確定夾雜物主要由硅、氧元素組成，極有可能是原合金粉末中的硅元素在火焰重熔時(shí)反應(yīng)形式的SiO2顆粒；大圓形孔隙附近的少數(shù)小圓形孔隙的內(nèi)表面光滑，無粒狀?yuàn)A雜物，元素組成與周圍組織相同，因此推斷這些小圓形孔隙是由于火焰噴涂過程中凝固不均勻，熔融的金屬在表面張力下形成的圓形凹陷。小圓形孔隙可以通過提
高重熔溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間進(jìn)行改善。不規(guī)則孔隙內(nèi)存在形狀不規(guī)則的夾雜物，經(jīng)EDS分析確定夾雜物富含硅元素，說明火焰重熔后涂層的不規(guī)則孔隙中析出了SiO2顆粒。SiO2顆粒會(huì)阻礙液態(tài)金屬對(duì)孔隙的填充，從而形成不規(guī)則孔隙。
由圖5可以看出：真空重熔涂層中有些不規(guī)則孔隙內(nèi)富含碳、氧、鉻元素，不存在鎳、鐵元素，因此推斷孔隙中存在鉻的碳化物和氧化物。這些化合物的熔點(diǎn)較高，在重熔過程中未熔化導(dǎo)致不規(guī)則孔隙的形成。還有些不規(guī)則孔隙內(nèi)存在顆粒狀?yuàn)A雜物，主要構(gòu)成元素為硅和氧，判斷應(yīng)為SiO2，同時(shí)孔隙中局部位置的鉻和碳含量較高,推斷應(yīng)存在鉻的碳化物。SiO2和鉻的碳化物熔點(diǎn)均較高，聚集在一起會(huì)阻礙涂層材料重熔后對(duì)孔隙的充分填充，導(dǎo)致不規(guī)則孔隙的形成。火焰重熔后涂層孔隙中存在SiO2夾雜物顆粒，孔隙形狀小且規(guī)則；真空重熔后涂層中除了存在SiO2 還存在鉻的碳化物，孔隙形狀大且不規(guī)則。
2.3 硬度
由圖6可以看出，不同工藝重熔前后涂層的硬度均高于基體的硬度。火焰噴涂制備涂層的平均硬度為485HV，經(jīng)火焰重熔和真空重熔處理后，涂層的平均硬度分別提高至545，500HV；2種重熔工藝均可提升涂層的硬度?；鹧嬷厝弁繉拥挠捕茸罡咔矣捕炔▌?dòng)較小，真空重熔涂層的硬度略高于未重熔涂層，但硬度波動(dòng)較大，這是由于火焰重熔后涂層的組織比真空重熔涂層更細(xì)小均勻所致。
3、結(jié) 論
(1)火焰噴涂制備的Ni55A合金涂層中存在大量孔隙，火焰重熔和真空重熔處理可將涂層的孔隙率從4.2%分別降低到0.34%和0.86%，并將基體與涂層界面處的結(jié)合狀態(tài)由機(jī)械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合；與火焰重熔相比，真空重熔后涂層與基體界面處的擴(kuò)散層厚度更大，組織更粗大。
(2)火焰重熔和真空重熔均可使火焰噴涂制備涂層中的層狀結(jié)構(gòu)消失；火焰重熔后涂層孔隙中存在SiO2夾雜物顆粒，孔隙形狀小且規(guī)則，而真空重熔后涂層中除了存在SiO2，還存在鉻的碳化物，孔隙形狀大且不規(guī)則；火焰重熔和真空重熔后涂層的平均硬度分別提高了60，15HV；火焰重熔涂層的硬度更高且硬度波動(dòng)較小，這與火焰重熔后涂層組織更細(xì)小均勻有關(guān)。
引用本文：
王學(xué)朋，馬軍，趙文寶，等.重熔處理對(duì)火焰噴涂Ni55A合金涂層組織和性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2023，47（5）：8-13.
Wang X P , Ma J, Zhao W B, et al.Effect of Remelting Treatment on Microstructure and Properties of Ni55A Alloy Coating by Flame Spraying, 2023, 47（5）: 8-13.
DOI:10.11973/jxgccl202305002
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