6061-T6鋁合金電弧噴涂Ni-Al涂層結(jié)合強度性能研究

王吉孝 王黎 馬李 莫才頌

摘要：為提高艦載機偏流板表面涂層的結(jié)合強度并延長其使用壽命，利用雙絲電弧噴涂技術(shù)在6061-T6鋁合金表面制備四種Ni-Al復(fù)合涂層，研究了四種不同復(fù)合涂層與基體的結(jié)合強度性能。同時觀察涂層斷口形貌和截面形貌，并分析其失效原因。試驗結(jié)果表明，以Ni-5wt.%Al為打底層，以Ni-20wt.%Al作為面層的Ni-Al復(fù)合涂層結(jié)合強度較高，該復(fù)合涂層結(jié)合強度滿足性能指標要求。

關(guān)鍵詞：6061-T6鋁合金;電弧噴涂;復(fù)合涂層;結(jié)合強度

中圖分類號：TG174.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0014-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.03

0 前言

艦載機偏流板所用材料是6061-T6鋁合金板，高4.2 m，寬10.8 m，板中有可通冷卻水的空心通道，采用液壓系統(tǒng)使其具有相當程度的水冷能力。在鋁合金偏流板上覆蓋有金屬涂層，具有潮濕環(huán)境中防滑、耐腐蝕的特點[1-3]。要求偏流板涂層在艦載機反復(fù)起落情況下具有高的抗沖擊性能，以保證飛機在惡劣海洋狀況下的安全運行。為延長使用壽命，涂層與基體應(yīng)具有較高的結(jié)合強度。目前，樹脂基涂層雖然在美國海軍艦載飛機上獲得了應(yīng)用，但是該類涂層較金屬涂層存在很多的缺點：結(jié)合強度低，最多達到8 MPa，而金屬基涂層結(jié)合強度是樹脂基涂層的4～8倍;樹脂基涂層易老化降解，在高溫和施工時揮發(fā)有毒氣體，金屬基涂層則不存在這一缺點[4]。對于金屬基涂層而言，其結(jié)合強度決定了涂層的抗沖擊性能，如果涂層結(jié)合強度偏低，涂層脫落導(dǎo)致的后果非常嚴重。雙絲電弧噴涂是材料表面強化的重要技術(shù)之一，通過改變噴涂工藝參數(shù)可以提高涂層與基體的結(jié)合強度[5]。基于此，文中采用雙絲電弧噴涂技術(shù)在6061-T6鋁合金上制備Ni-Al復(fù)合涂層，并研究其結(jié)合強度性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及試驗儀器

試驗用基體材料為6061-T6鋁合金。噴涂絲材為美國PRAXAIR公司生產(chǎn)的Ni-5wt.%Al合金絲和Ni-20wt.%Al復(fù)合絲及國產(chǎn)純Zn絲，直徑均為1.6 mm。

噴涂設(shè)備采用PRAXAIR公司生產(chǎn)的9935型雙絲電弧噴涂系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機型號為GA30FF，噴砂設(shè)備型號為6090A，射吸式。萬能電子拉伸試驗機型號為WDW-S100。利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察斷面形貌和截面形貌，確定斷裂發(fā)生位置。

1.2 Ni-Al復(fù)合涂層制備

采用雙絲電弧噴涂方法制備四種復(fù)合涂層，分別為：A涂層——打底層Ni-5wt.%Al，面層Ni-5wt.%Al;B涂層——打底層Ni-5wt.%Al，面層Ni-20wt.%Al;C涂層——打底層Ni-5wt.%Al，中間層Zn涂層，面層Ni-5wt.%Al;D涂層——打底層Ni-5wt.%Al，中間層Zn涂層，面層Ni-20wt.%Al。研究四種復(fù)合涂層的結(jié)合強度，其工藝參數(shù)如表1所示。

1.3 測試方法

試樣尺寸為φ25.4 mm×6 mm，每組試樣數(shù)量均為5個。涂層厚度大于等于0.38 mm。所使用的粘結(jié)劑是國內(nèi)某研究所生產(chǎn)的E-7高溫結(jié)構(gòu)膠，抗拉強度可達70 MPa。將試樣和用于測試粘結(jié)劑強度的空白試樣分別安裝于萬能電子拉伸試驗機上。以0.013～0.021 mm/s的拉伸速率進行拉伸，記錄斷裂前的最大試驗拉伸力。涂層的結(jié)合強度等于最大試驗力與試樣截面積的比值。在金相顯微鏡下觀察斷面，確定斷裂發(fā)生的位置。拉伸試驗參考標準為ASTM-C-633-01，合格標準為甲板或偏流板涂層結(jié)合強度≥45 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)合強度測量結(jié)果

四種涂層結(jié)合強度對比如圖1所示。經(jīng)計算可知，B涂層的結(jié)合強度最高，平均結(jié)合強度為53.86 MPa，然后依次是A（38.26 MPa）、C（27.11 MPa）和D（17.90 MPa）。對于C和D涂層，Zn層的存在導(dǎo)致整體強度降低，所有斷裂位置均在涂層內(nèi)部，測量結(jié)果均為有效，可見B涂層能夠滿足性能指標要求。

B涂層由于面層是Ni-20wt.%Al，可提高表層的摩擦系數(shù)，有利于提高涂層的防滑能力。C涂層和D涂層中間層加入Zn是設(shè)計涂層時為提高其耐腐蝕能力而采取的三明治結(jié)構(gòu)。但從測量結(jié)果可以看出，它們的結(jié)合強度遠低于性能指標要求，即使通過優(yōu)化工藝參數(shù)，其結(jié)合強度與指標要求仍相差甚遠。

2.2 涂層斷口形貌

四種涂層拉伸斷口形貌如圖2所示。A和B涂層結(jié)合強度較高，斷裂位置發(fā)生在涂層與基體之間，C和D涂層結(jié)合強度較低，斷裂位置發(fā)生在Zn涂層內(nèi)部，涂層有翹起現(xiàn)象。

影響涂層結(jié)合強度大小的主要因素包括噴涂材料種類、噴涂距離、噴槍移動速度、噴涂粒子速度和涂層厚度等。隨著噴涂粒子速度增加，粒子扁平度增加，進而增大粒子與基體、粒子與粒子之間的結(jié)合面積，從而提高結(jié)合強度。B涂層的結(jié)合強度較高，這主要歸因于噴涂時Ni-5wt.%Al合金絲具有自熔合特點，使得涂層與基體發(fā)生微冶金結(jié)合[6-7]。

2.3 涂層截面形貌

四種涂層截面形貌如圖3所示，涂層均具有層疊狀特征，這是噴涂粒子的扁平化變形所致。雙絲電弧噴涂涂層組織屬于快速凝固組織，主要體現(xiàn)在涂層的致密度上，涂層由大量扁平粒子堆疊而成，扁平粒子在相互作用過程中，往往不能完全重疊在一起，尤其是一些速度較低的熔滴粒子，由于不充分變形，部分易產(chǎn)生重疊而形成孔隙。這些都是影響涂層結(jié)合強度的原因[8]。

3 結(jié)論

（1）四種涂層拉伸試驗結(jié)果顯示，打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-20wt.%Al的涂層結(jié)合強度最高;打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-5wt.%Al的涂層結(jié)合強度次之;打底層為Ni-5wt.%Al、中間層為Zn涂層、面層為Ni-5wt.%Al的涂層和打底層為Ni-5wt.%Al、中間層為Zn涂層、面層為Ni-20wt.%Al的涂層結(jié)合強度最低。綜合比較，打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-20wt.%Al的涂層滿足技術(shù)指標要求。

（2）中間層含有Zn的涂層，即使通過優(yōu)化工藝參數(shù)，其結(jié)合強度與指標要求仍相差甚遠。打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-20wt.%Al的涂層又優(yōu)于打底層為Ni-5wt.%Al、面層為Ni-5wt.%Al的涂層，可作為制備偏流板表面涂層的首選涂層材料。

參考文獻：

[1] 吳始棟. 航空母艦偏流板的開發(fā)與研究[J]. 中外船舶科?技，2008（4）：9-11.

[2] 郭濤. 偏流板性能的分析與計算[D]. 黑龍江：哈爾濱工?程大學(xué)，2010.

[3] 彭兢，金長江. 航空母艦尾流數(shù)值仿真研究[J]. 北京航空?航天大學(xué)學(xué)報，2000（3）：340-343.

[4] 李景熹. 美國航母飛行甲板演變及設(shè)計思想研究[J]. 艦?船科學(xué)技術(shù)，2017，39（6）：153-157.

[5] 劉明，陳書贏，馬國政，等. 熱噴涂涂層/基體異質(zhì)界面結(jié)?合強度優(yōu)化理論與方法現(xiàn)狀研究[J]. 機械工程學(xué)報，2020，?56（10）：64-77.

[6] 王文明，沈劍標，陳彥，等. 粘接試驗方法測定激光熔覆?層與基體結(jié)合強度[J]. 理化檢驗（物理分冊），2019，55?（11）：745-747，774.

[7] 胡星. 不同硬度基體下等離子噴涂鉬合金涂層結(jié)合性能?[J]. 熱加工工藝，2019，48（16）：123-125.

[8] Wang J X，Liu J S，Zhang，et al. Microstructure and Mec-?hanical Properties of Twin-wire Arc Sprayed Ni-Al Com-?posite Coatings on 6061-T6 Aluminum Sheet[J]. Internat-?ional Journal of Minerals， Metallurgy and Materials，2014，?21（5）：469-478.