電弧噴涂涂層缺陷分析及防止對策

    摘  要  討論影響電弧噴涂涂層缺陷（剝落、裂紋、氣孔）的因素及缺陷形成條件，分析各影響因素的作用，介紹基體表面預處理及噴涂工藝各環節的質量要求和工藝參數的優化，給出避免或減少涂層缺陷的對策。
        電弧噴涂技術是目前熱噴涂技術中最受重視的技術之一。電弧噴涂設備簡單、操作方便，但若噴涂工藝不當，易產生一些缺陷。
        一、涂層缺陷及防止對策
        1.噴涂層剝落
        噴涂層剝落是涂層最常見的缺陷之一，歸結起來有以下幾種原因：
       （1）噴涂前基體表面的預處理不符合要求
        在熱噴涂前，對基體表面進行清理、粗化、預熱、噴涂結合底層等工藝方法統稱為表面預處理。這種預處理是提高涂層與基體物理結合、擴散結合和機械結合強度的重要工序。基體表面清洗不徹底會降低涂層與基體的結合強度。熱噴涂層與基體的結合強度又與基體表面的粗糙度有關，粗糙度值太小，表面太光滑同樣會降低涂層與基體的結合強度。因此，基體表面的粗糙度值應達到Rz25~100μm。吸射式干噴鋼砂制備表面時，噴砂壓力越大，獲得的粗糙度越大，在設備允許的情況下，壓力越大越好；噴砂角度對粗糙度的影響成正比，但當噴砂角度為90度時，偶有砂粒嵌入，嵌入工件的砂粒降低涂層與基體的結合強度，因此對平面工件應避免直噴，噴砂角宜取75度至85度；采用噴砂方法制備表面時，壓縮空氣中含有過多的油分及水蒸汽會降低結合強度。所以，噴吵用空氣壓縮機應裝有油水分離器和空氣過濾器，以保證壓縮空氣的潔凈；對處理好的基體表面，應及時噴涂，盡可能縮短表面制備處理后到完成噴涂施工的時間間隔，一般不要超過2h,。對不能及時噴涂的工件，應用清潔的塑料膜覆蓋保護。
       （2）噴涂工藝不當
        試驗證明，在所有工藝參數中，影響較大的主要有噴涂距離、噴涂角度、送絲速度和壓縮空氣壓力。這4個參數影響熔粒的形成，而熔粒的結合性能與熔粒的尺寸、結合面積、粘結力、熔粒內部及界面的熱應力有關。從噴槍飛出的熔粒，其飛行速度、溫度及飛行過程中所發生的表面反應都將影響涂層的形成、涂層質量和結構。飛行速度先加速后減速，而溫度隨噴涂距離的增加而降低。當噴涂距離過大時，熔粒打擊到基體表面的溫度和動能不夠，熔粒不能產生足夠的變形，涂層疏松多孔，質量較差，結合強度較低；當噴涂距離過小時，可以保證熔粒的速度和溫度較高，但基體和涂層被氧化嚴重而使粘結強度降低，并且隨著氧化程度的增大，甚至會使基體和涂層完全失去粘結力。噴涂距離一般以140~200mm 為宜。噴涂角度應≥60度，當噴涂角度＜60度時，因“遮蔽效應”形成許多不規則的多孔涂層，降低結合強度，噴涂角度一般60度至90度合適。送絲速度的調節要適中，速度過低，影響噴涂生產率；速度太快，熔融的顆粒大，甚至有時會出現未熔化的絲材，涂層質量、結合強度降低。粒子霧化特性的優劣直接影響涂層的最終質量，壓縮空氣對熔化的材料進行霧化及對熔滴進行加速，壓縮氣體的壓力、流量影響霧化效果。壓力和流量不足，霧化顆粒粗大，結合強度降低；壓力和流量太大，易降低熱源溫度，影響熱源穩定性。試驗證明當壓縮空氣的壓力＜0.4MPa時，涂層結合強度將顯著降低。
        （3）殘余應力引起涂層剝落
        熱噴涂層在凝固和冷卻過程中，由于收縮會產生殘余應力，而且涂層中內應力隨涂層厚度的增加而增加，這種內應力會導致噴涂層剝落。噴涂層隨著厚度的增加，整個涂層之間的殘余應力增大、粘結強度降低。因此在滿足要求的條件下，盡可能降低涂層厚度，對于噴涂后要求進行加工的工件，要盡可能減少加工余量。當噴涂材料與基體的熱膨脹系數不一致時，涂層冷卻后，涂層與基體的收縮量不一致，形成殘余應力，而且膨脹系數相差越大，這種趨勢越大，故在選擇噴涂材料時，在滿足耐磨、耐蝕等性能要求下，盡可能選擇與基體熱膨脹系數相同或相近的噴涂材料。基體與涂層材料的化學成分相差太大會使其組織結構和物化性質相差很大，噴涂過程中，在基體與涂層的界面會由于溫度和相變而產生較大殘余應力，降低結合強度，引起涂層剝落。為此可利用梯度涂層或復合涂層代替傳統的涂層，通過相近的材料組成連續過渡涂層，使涂層的化學成分由基體平緩過渡到涂層表面，從而緩和兩種材料直接結合引起的組織結構和物化性質的突變，以此來減少應力，提高結合強度。涂層收縮力與基體的法線方向一致，當噴涂內孔或平面時，收縮力方向背向基體表面不利于涂層與基體表面的結合，故在噴涂內孔或平面時，宜采用落層噴涂（即在噴涂過程中采取間歇噴涂、保溫、緩冷等措施，來減少涂層應力），避免涂層剝落。對細長、薄壁工件易產生基體過熱，冷卻后變形大，影響結合強度。在電弧噴涂時，熔融的粒子溫度高，為避免工件表面過熱，必須快速移動噴槍，根據涂層厚度、噴涂生產率等參數來確定適中的噴槍移動速度。對基體預熱來消除殘余應力，預熱溫度一般控制在95℃。
       （4）使用不當，造成涂層脫落
        噴涂后的工件在使用中，涂層與基體結合面垂直方向的拉應力超過涂層與基體的抗拉結合強度，或涂層與基體結合面平行方向的剪應力超過涂層與基體的抗剪結合強度，涂層受到較大的力偶作用，都會導致涂層的剝落。
        2.涂層龜裂
        涂層龜裂是指涂層表面或內部出現局部的小面積或封閉形的裂紋。引起涂層裂紋的原因有：①噴涂層過熱。在噴涂過程中，噴涂距離太小或噴槍移動的速度相對工件太慢，引起涂層局部過熱，當涂層冷卻后，由于應力作用在涂層表面產生裂紋。為避免過熱而產生裂紋，在噴涂操作時要調整好噴涂距離和噴槍移動速度。②涂層內裂紋與飛行中熔融粒子的狀態有密切關系，當被加熱到過熱狀態的粒子中含有氣泡時，它撞擊到基體表面時發生飛散現象，形成薄層狀粒子，在熱應力作用下，薄層狀粒子會產生裂紋。為此，要確保噴涂材料、基體表面無油、水、銹、漆等污物，嚴防有害氣體產生。另外，要調整好噴涂角度，盡可能減小熔融粒子的飛散。③噴涂材料硬度高，抗裂性能差產生裂紋，所以，在滿足涂層性能要求下，盡可能選用抗裂性好的噴涂材料。④噴涂工件剛性大，工件表面有產生應力集中的嚴重缺陷，易產生裂紋，為此應盡可能消除基體表面較明顯的應力源。⑤噴涂層受到驟冷，易產生裂紋，為此要注意噴涂后的冷卻速度，避免涂層驟冷。⑥噴涂層厚度不均勻，涂層收縮率不均勻，易產生裂紋，故在噴涂操作時要注意噴槍移動速度以及送絲速度的穩定。
        3.涂層氣孔
        當一些熔融粒子在同方向且平行地打擊到基體表面上時，由于“陰影效果”、扁平狀粒子之間的不完全堆積或在基體待噴涂表面的凹坑處含有空氣或其他氣體時形成氣孔。涂層氣孔的形成與噴涂前基體表面預處理及噴涂工藝不規范有關。降低孔隙率，提高致密度要著重從控制有害氣體的產生和采取合理的工藝參數兩個方面著手。
        二、涂層固有缺陷后處理
        對于因表面預處理工藝、噴涂工藝不當而產生的涂層缺陷，我們可以通過優化工藝來改善涂層質量，提高結合強度。對涂層本身的固有缺陷，我們可以針對涂層不同的使用工況進行不同的涂層后處理來改善涂層性能。涂層后處理的方法主要有重熔處理、封孔處理、機械處理和擴散處理等。
        重熔處理是將疏松多孔的涂層加熱到一定的溫度范圍，使粉末中的硼、硅元素發生脫氧反應且潤濕基體表面，形成與基體表面具有金相結合的致密涂層。它是自熔性合金涂層的一種后處理方法。重熔方法有火焰重熔、爐內重熔、感應重熔、激光重熔。通過重熔處理，涂層中的氧化物雜質和孔隙會在重熔中消除，層狀結構也會變成均質結構，這樣可大幅度提高結合強度和致密度。
        封孔處理是把封孔劑涂敷在涂層表面上，使其浸入到涂層孔隙中來填充涂層孔隙，它主要用于防蝕涂層、熱障涂層和保持陶瓷涂層的絕緣性能上。常用的封孔劑有石蠟、油脂、環氧樹脂、環氧酚醛、硅酸鈉等。
        機械處理常采用噴丸和滾壓方法來封閉與表面連貫的氣孔，提高表面的平滑度，消除涂層殘余應力，改善涂層性能。
        擴散處理是表面合金化熱處理。在一定的熱處理工藝條件下，涂層金屬向基體擴散，在結合界面處形成表面合金化的擴散組織。通過擴散處理，形成更多的金相結合，可以提高涂層的完整性、致密性、耐蝕性、抗氧化性及涂層的結合強度。