大氣等離子噴涂質(zhì)量控制研究

文/ 孫延安

在技術(shù)快速發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)激烈的時(shí)代，效率和成本節(jié)約成為了關(guān)鍵。為了提高零件耐久性和易磨損部件的性能，專業(yè)人員不斷努力地尋求改進(jìn)方案，如各種涂層材料和涂層技術(shù)研究，其中就包括了熱噴涂技術(shù)。20世紀(jì)初，瑞士發(fā)明家Schoop博士發(fā)明了通過(guò)熔融金屬形成的金屬粒子流來(lái)產(chǎn)生涂層的技術(shù)。熱噴涂工藝設(shè)備在第二次世界大戰(zhàn)后開(kāi)始發(fā)展，特別是在1960年—1990年間，熱噴涂工藝開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，并成為了工業(yè)上改善表面的新技術(shù)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《熱噴涂 術(shù)語(yǔ)、分類》（GB/T 18719–2002），按加熱噴涂材料的熱源分類，熱噴涂分為火焰類（包括火焰噴涂、爆炸噴涂和超聲速噴涂）、電弧類（包括電弧噴涂和等離子噴涂）、電熱法（包括電爆噴涂、感應(yīng)加熱噴涂和電容放電噴涂）和激光類噴涂。其中，等離子噴涂又包括大氣等離子噴涂、保護(hù)氣氛等離子噴涂、真空等離子噴涂和水穩(wěn)等離子噴涂。大氣等離子噴涂是其中用途最廣的一類，主要應(yīng)用于制備金屬、合金、陶瓷、碳化物和氮化物等復(fù)合材料涂層。等離子噴涂技術(shù)是繼火焰噴涂之后快速發(fā)展起來(lái)的一種新型多用途的精密?chē)娡糠椒ā?/p>

隨著各種高性能涂層材料的發(fā)明，等離子噴涂因其涂層耐磨、耐腐蝕和隔熱等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品、零部件和設(shè)備維修等方面。如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件大修中，等離子噴涂可作為表面保護(hù)或零件裝配面的修復(fù)，適宜的涂層可以恢復(fù)和增強(qiáng)零部件功能，并延長(zhǎng)其使用壽命。雖然，噴涂設(shè)備和涂料已具備，但要確保噴涂品質(zhì)，還需要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和要求，對(duì)工藝進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范。為此，本文依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)影響噴涂質(zhì)量的關(guān)鍵因素和日常容易忽視的操作環(huán)節(jié)展開(kāi)探究。

一、大氣等離子噴涂概述

大氣等離子噴涂的原理為：在銅陽(yáng)極和鎢陰極之間通過(guò)高頻火花點(diǎn)燃電弧，流經(jīng)電極之間的氣體（即He、H2、N2或混合物）在高溫環(huán)境中發(fā)生電離，從而形成幾厘米長(zhǎng)的大氣等離子體。等離子弧中的溫度可高達(dá)2 000 ℃～ 20 000 ℃；噴涂材料在噴槍噴嘴口處以粉末形式噴射到等離子體中，熔化并被氣體拋到基體表面上（見(jiàn)圖1）。

圖1 大氣等離子噴涂示意圖

在金相檢驗(yàn)中，大氣等離子噴涂涂層的固有缺陷（如孔隙率、未熔或部分熔顆粒和裂紋等）都會(huì)對(duì)涂層的物理和化學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

如前所述，大氣等離子噴涂是一種特殊的工藝，傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法是使用破壞性測(cè)試來(lái)評(píng)估涂層質(zhì)量。這涉及切割橫截面試樣、拋光所述樣品并檢查所得顯微圖像。圖2顯示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鎳鋁合金涂層在200倍電子顯微鏡下的微觀圖和涂層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 鎳鋁合金涂層微觀圖和涂層結(jié)構(gòu)示意圖

金相檢驗(yàn)主要是采用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣涂層的結(jié)構(gòu)、物相、氣孔、夾雜和晶界等進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，作定性或定量的評(píng)定，以研究和判斷工藝、涂層結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。金相分析被廣泛用于評(píng)估涂層質(zhì)量，但在準(zhǔn)備檢查試片的截面和解釋涂層結(jié)果時(shí)，必須謹(jǐn)慎，以免產(chǎn)生誤導(dǎo)性結(jié)論。金相層狀結(jié)構(gòu)多為長(zhǎng)方形層狀，這樣的檢查可以顯示裂紋、夾雜物和未熔顆粒等缺陷，指出孔隙率并突出界面處的特征。依據(jù)《定量金相測(cè)定方法》（GB/T 15749–2008），從這種類型的圖像分析中，金相檢驗(yàn)員可以識(shí)別的關(guān)鍵特征包括孔隙度、球狀物（未熔顆粒）、氧化物、裂紋、污染、涂層剝離和分層。

金相檢驗(yàn)員將涂層試片的電子顯微圖片與行業(yè)金相標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行比較，以確定特征量（如孔隙百分比）是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其他熱噴涂質(zhì)量測(cè)試還包括硬度和黏結(jié)強(qiáng)度。前者通常用壓痕試驗(yàn)方法來(lái)完成，后者通常用拉伸附著力試驗(yàn)方法來(lái)完成。

二、涂層顯微關(guān)鍵結(jié)構(gòu)評(píng)估關(guān)鍵點(diǎn)與分析

1. 孔隙

孔隙是涂層內(nèi)的孔，以黑塊或黑點(diǎn)的形式出現(xiàn)在涂層內(nèi)?？紫堵士梢酝ㄟ^(guò)金相法測(cè)定涂層孔隙在顯微鏡局部區(qū)域所占的比例來(lái)測(cè)算。金相法中常用的有柵格法和截面定向截取法。雖然，多孔結(jié)構(gòu)能更好地吸收和保持潤(rùn)滑，但過(guò)多的孔隙會(huì)導(dǎo)致不良的氧化和結(jié)構(gòu)完整性的喪失。例如，在某系列發(fā)動(dòng)機(jī)部件修理中，按照形成機(jī)制和大小，孔隙分兩類：第一類孔隙大小為0 μm～10 μm，第二類孔隙大小為10 μm～25 μm。第一類孔隙是由顆粒與氣態(tài)介質(zhì)之間的相互作用產(chǎn)生的，而第二類孔隙是通過(guò)與沉積材料碰撞時(shí)飛濺或部分熔融顆粒變形產(chǎn)生的空隙而形成的。涂層中的孔隙必須滿足尺寸和含量?jī)蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)。比如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中常用的抗氧化和耐腐蝕性涂層——鎳鉻鐵合金Inconel 718，要求其孔隙大小不得＞20 μm，孔隙率不得超過(guò)10%。

在冶金工程中，孔隙是因快速凝固造成的涂層材料破裂、冷卻時(shí)的涂層材料收縮和呈現(xiàn)出來(lái)的未熔顆粒等所導(dǎo)致的，涂層內(nèi)的孔隙率水平會(huì)受到各種因素的影響。等離子槍電極腐蝕會(huì)降低沉積效率，從而導(dǎo)致涂層孔隙率顯著增加。在噴涂過(guò)程中，維修人員通過(guò)對(duì)基材進(jìn)行氣體冷卻來(lái)控制基材與顆粒的溫度差，以降低飛濺淬火應(yīng)力，這樣可以明顯減少孔隙的形成，同時(shí)能夠提高涂層的整體機(jī)械強(qiáng)度。

2. 未熔顆粒

未熔顆粒是指未充分熔化的涂層粉末顆粒，它們?cè)谧矒艉笕员３制湫螤睿⑶也粫?huì)在撞擊時(shí)產(chǎn)生飛濺。這些顆粒通常具有圓形或球狀外觀（比例為3 : 2），與周?chē)繉踊|(zhì)的黏附率不超過(guò)25%，并且在任何方向上大小都＞50 μm。

噴涂材料的熔化不足，一般有多種原因，如溫度不足、噴射角度差（即粉末沒(méi)有放置在火焰流中的最佳位置）；噴涂材料在進(jìn)入噴槍之前也可能在噴槍內(nèi)積聚，導(dǎo)致未充分熔化的顆粒被噴涂到基材上。經(jīng)試驗(yàn)，對(duì)于大氣等離子噴涂，維修人員可以通過(guò)降低送粉率、增加氫氣氣流量和增加電流3種方式來(lái)減少未熔顆粒的大小和 含量。

3. 氧化物和氧化物簇不足

氧化物在本文是指被氧化的涂層成分。氧化物簇在本文是指緊密濃度的氧化物，可以通過(guò)金相顯微鏡觀察測(cè)得。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求氧化物的涂層必須＞75 μm才能達(dá)到氧化物簇額定值。氧化物呈灰色，可以是孤立的、簇生的，也可以是刺狀的。氧化對(duì)噴涂涂層的組成和產(chǎn)生的性能有顯著影響。定量的涂層氧化可用于保護(hù)基材免受氧化，但無(wú)論噴涂哪種材料，控制氧化量都很重要。

在日常的排除故障的工作中，筆者發(fā)現(xiàn)，氧化通常發(fā)生在涂層噴射中和撞擊后，而噴射過(guò)程中的氧化是其主要來(lái)源。涂層火焰焰流中的氧化也因噴射距離而異。例如，對(duì)于較短的距離，對(duì)流氧化占主導(dǎo)地位，而擴(kuò)散氧化則在較長(zhǎng)的噴涂距離中占主導(dǎo)地位。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，惰性氣體保護(hù)罩的使用可以減少空氣湍流，從而提高焰流中顆粒的熔化效率，降低外界空氣對(duì)粒子的氧化。

4. 涂層裂紋

局部應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致涂層形成裂紋。隨著涂層的冷卻和收縮，應(yīng)力會(huì)自然產(chǎn)生。涂層原材料的特性、涂層和基材之間的溫差會(huì)加劇這種情況的發(fā)生。當(dāng)需要對(duì)零件的外徑表面進(jìn)行噴涂時(shí)，如果基體材料未被加熱，則熱涂層在收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；如果涂層材料本身就很脆，那么產(chǎn)生裂紋的可能性會(huì)更高；零件不規(guī)則的幾何形狀也可以促進(jìn)裂紋的形成；顆粒在與集體材料接觸時(shí)沒(méi)有充分結(jié)合，也會(huì)形成平行于基材的裂紋。

涂層裂紋可以在200倍金相電子顯微鏡下觀察測(cè)得。在評(píng)估裂紋時(shí)，最重要的是區(qū)分由機(jī)械損傷引起的裂紋和結(jié)構(gòu)固有的裂紋。垂直于母材的裂紋有時(shí)可能是由基材的彎曲或熱應(yīng)力引起的。涂層橫向裂紋在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中是不可接受的。為此，在試驗(yàn)中，筆者發(fā)現(xiàn)，在噴涂前對(duì)零件表面進(jìn)行吹砂，并對(duì)零件進(jìn)行預(yù)熱，可以降低涂層裂紋產(chǎn)生的可能性。

5. 界面污染

界面污染是在基底金屬和涂層之間嵌入外來(lái)顆粒或污染物。這種污染的形式可能是金屬氧化物、砂礫或從先前的涂層剝離操作中殘留下來(lái)的殘留涂層。研究發(fā)現(xiàn)，污染通常與噴涂材料中的雜質(zhì)有關(guān)，或由表面處理不當(dāng)引起的。線材原料的污染機(jī)會(huì)較低，因?yàn)榫€材表面積較小，但清潔待噴涂表面和在零件運(yùn)輸過(guò)程中保持清潔的表面對(duì)于控制污染至關(guān)重要。另外，筆者還發(fā)現(xiàn)，與噴砂相關(guān)的污染與噴砂壓力和時(shí)間成正比關(guān)系，與砂礫粒度呈反比關(guān)系。在對(duì)零件待噴涂表面進(jìn)行吹砂處理后，必須要用符合《氣動(dòng)元件及系統(tǒng)用空氣介質(zhì)質(zhì)量等級(jí)》（JB/T 5967–2017）要求的質(zhì)量等級(jí)≤2的壓縮空氣清潔表面，以去除表面嵌入物，從而減少界面污染。

6. 涂層剝離

涂層剝離可能是由于涂層的黏附層從基材上剪切下來(lái)造成的損壞，或者涂層從一開(kāi)始就沒(méi)有被充分黏附。后一種可能是由表面污染或外來(lái)碎屑（如未噴涂區(qū)域錯(cuò)位的保護(hù)）或熱應(yīng)力直接引起的。另外，拉伸應(yīng)力導(dǎo)致涂層剝離的可能性隨著涂層厚度的增加而增加。涂層剝離可以在 200倍金相電子顯微鏡下觀察測(cè)得，界面分離是不可接受的。

7. 分層

有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)＞254 μm的涂層脫離才能被評(píng)定為分層。在評(píng)估分層時(shí)，最重要的是區(qū)分由機(jī)械損壞引起的分層和結(jié)構(gòu)固有的分層。沿著或平行于基底金屬界面的分層通常是機(jī)械損壞的結(jié)果。涂層分層同樣是在 200 倍金相電子顯微鏡下觀察測(cè)得，涂層必須無(wú)分層或者分層＜254 μm。

8. 涂層界面結(jié)合強(qiáng)度（RH）過(guò)小

熱噴涂涂層的附著力通常是一個(gè)需要確定的重要特性，特別是當(dāng)涂層未與基材熔合時(shí)。涂層附著力很大程度上取決于涂層前的表面處理，最常用的測(cè)試方法是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《熱噴涂 抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定》（GB/T 8642–2002），從基材上分離涂層所需的拉伸載荷。該測(cè)試通常包括先將熱噴涂涂層噴涂在圓柱體基體塊的表面上，然后使用高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂將圓柱體加載塊的表面黏合到涂層表面。涂層的RH由失效時(shí)施加的最大載荷除以橫截面積得出。

若失效發(fā)生在涂層–基材界面處，則得出涂層的黏合強(qiáng)度；若失效完全發(fā)生在涂層內(nèi)，則得出涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度。對(duì)于高RH的涂層來(lái)說(shuō)，環(huán)氧黏合劑會(huì)先于涂層發(fā)生斷裂分離。

9. 涂層硬度過(guò)小

依據(jù)《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》（GB/T 230.1–2018），對(duì)涂層表面進(jìn)行硬度測(cè)試。涂層硬度過(guò)小，表明涂層強(qiáng)度和耐磨性能偏低，維修人員可以通過(guò)改變涂層材料或者改進(jìn)噴涂參數(shù)來(lái)提高涂層的硬度。

三、提升大氣等離子噴涂質(zhì)量的建議

大氣等離子噴涂工藝是一種將熔融或熱軟化的材料噴涂到表面上以提供涂層的技藝。到目前為止，已確定熱噴涂工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是適用于形成涂層的材料種類繁多（可以使用任何熔化而不改變其特性的材料）；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這些具有高熔點(diǎn)的材料易形成涂層，而不會(huì)傳遞大量的熱量，也不會(huì)破壞基材的特性。但熱噴涂工藝的缺點(diǎn)是對(duì)空腔的尺寸恢復(fù)有限制性，因?yàn)橥繉又荒車(chē)娡康絿姌尰蚧鹁婵梢赃M(jìn)入的腔體中。比如CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪軸內(nèi)徑磨損，由于受其狹窄的空間限制，維修人員就無(wú)法使用熱噴涂技術(shù)來(lái)恢復(fù)其內(nèi)表面尺寸，從而導(dǎo)致只能通過(guò)更換新件來(lái)滿足其適航性。

另外，有經(jīng)驗(yàn)的維修人員能夠重復(fù)正確地使用熱噴涂設(shè)備，這對(duì)噴涂的質(zhì)量是非常重要的。本文建議，維修單位應(yīng)制定相關(guān)操作人員的培訓(xùn)計(jì)劃和資格考試，以確保熱噴涂操作人員能夠獲得足夠的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握噴涂標(biāo)準(zhǔn)工藝流程和操作規(guī)范，從而保證噴涂出符合要求的涂層。

為了進(jìn)一步提高噴涂過(guò)程中的質(zhì)量控制精度，就要對(duì)噴涂顆粒的狀態(tài)（包括溫度、速度和熔融程度等）和涂層沉積厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這些是今后我國(guó)等離子噴涂質(zhì)量控制技術(shù)必須要加以研究的方向；同時(shí)還需要進(jìn)一步規(guī)范工藝流程和操作，以此來(lái)持續(xù)提升維修涂層質(zhì)量、節(jié)省噴涂材料、提高維修效率。涂層的特性也可以通過(guò)改變噴涂的參數(shù)來(lái)適應(yīng)特定的應(yīng)用要求。所以，涂層的質(zhì)量控制就顯得尤為重要，而我國(guó)熱噴涂技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化隨著涂層材料和噴涂設(shè)備的研發(fā)也在不斷完善。