火焰噴涂用Al-6Si 絲材熱處理工藝及涂層性能研究

王彥軍，梁加寬，冀曉鵑，苗小峰，張思源，張?chǎng)?，章德銘，陰蔭

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002；3.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206）

0 引言

Al-Si 合金由于質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好，具有一定強(qiáng)度、硬度以及耐蝕性能，其快速凝固合金與涂層均有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。絲材火焰噴涂主要是以金屬、合金及復(fù)合絲材等為材料進(jìn)行涂層制備技術(shù)，該類(lèi)涂層可賦予基體表面新的性能（如耐磨、隔熱、封嚴(yán)等），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基體表面的防護(hù)作用。鋁硅絲材是一種鋁硅合金材料，硅含量6 wt.%左右，其余為鋁及少量雜質(zhì)。以鋁硅絲材為原料，采用火焰噴涂的方法可獲得鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層，涂層具有可磨耗性、耐沖蝕性、熱穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)較小及抗氧化性等特點(diǎn)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)、渦輪機(jī)匣、葉輪外罩等部位常用的噴涂面層。鋁硅自熔性噴涂絲材的熔點(diǎn)為621 ℃，除了用于制備可磨耗封嚴(yán)涂層外，還可用于修復(fù)鋁部件、修補(bǔ)鋁鑄件砂眼和修復(fù)鑄鋁用的鑄型等[4]。本文通過(guò)拉拔技術(shù)制備滿足火焰噴涂用的Al-6Si 絲材，重點(diǎn)對(duì)絲材成型退火工藝進(jìn)行研究，并對(duì)比了與進(jìn)口絲材噴涂的鋁硅面層孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度及熱震性能等的差異，以期獲得滿足火焰噴涂鋁硅涂層性能要求的Al-6Si 絲材。

1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.1 原料的選取

本試驗(yàn)主要通過(guò)拉拔工藝制備Al-6Si 絲材，所用原料為φ5 mm 的鋁硅合金線坯，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 鋁硅合金線坯化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of aluminum-silicon alloy wire billet(wt.%)

1.2 Al-6Si 絲材制備及噴涂試驗(yàn)工藝

鋁硅合金線坯經(jīng)過(guò)450 ℃、2 h 均勻化退火處理，以提升鋁硅合金線坯的塑性變形能力，然后將退火后的絲材裝入拉拔設(shè)備，進(jìn)行4 道次冷拉拔和光亮化表面處理，直徑從φ5 mm 拉拔至φ3.17 mm，最后進(jìn)行成品退火處理。采用絲材火焰噴涂設(shè)備（Metco 6P，型號(hào)16E）噴涂制備鎳鋁底層和鋁硅面層，底層噴涂絲材選用Metco 405A 鎳鋁絲材，面層噴涂絲材分別采用自制的Al-6Si 絲材和Metco SF Aluminum 鋁硅絲材進(jìn)行噴涂，并對(duì)兩種涂層進(jìn)行性能比較。鎳鋁絲材底層和鋁硅絲材面層噴涂工藝參數(shù)均為：O2流量43 L/min，C2H2流量40 L/min，空氣流量53 L/min，送絲速度900 mm/min，噴距150 mm。

1.3 分析測(cè)試方法

采用GALDABINI 公司QUASAR 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試；采用ZEISS HAL100 型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的金相組織進(jìn)行表征；采用FEI 公司的QUANTA 400 型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)Al-6Si 絲材截面形貌和涂層微觀組織進(jìn)行觀察；采用WOLPERT 公司402MVA 型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)涂層顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)；采用WDW-100A 型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火工藝研究

2.1.1 退火溫度對(duì)鋁硅合金線坯力學(xué)性能影響

本文制備火焰噴涂所需的φ3.17 mmAl-6Si 絲材，需將φ5 mm 的鋁硅合金線坯進(jìn)行拉拔減徑。但由于鋁硅合金線坯經(jīng)過(guò)大變形量的軋制，合金內(nèi)產(chǎn)生加工硬化，形變儲(chǔ)能高，合金的塑性變形差，不利于后端的拉拔。因此，在進(jìn)行拉拔前需對(duì)鋁硅合金線坯進(jìn)行退火處理，通過(guò)退火工藝可消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力增加塑性變形能力。試驗(yàn)對(duì)300～550 ℃恒溫2 h 的均勻退火工藝進(jìn)行對(duì)比，退火后對(duì)鋁硅合金線坯的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同退火溫度鋁硅合金線坯力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Al-Si alloy wire billets at different annealing temperatures

由表2 可知，在退火溫度300～450 ℃的范圍內(nèi)，隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度從196 MPa 逐漸降低至 157 MPa，伸長(zhǎng)率從17.6%增加至26.5%，該溫度區(qū)間鋁硅合金線坯抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率變化較大，但當(dāng)溫度從450 ℃升至500 ℃之后，抗拉強(qiáng)度從157 MPa 增加至 159 MPa，伸長(zhǎng)率從26.5% 減小至25.2%，抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率減小。說(shuō)明從300 ℃逐漸升到450 ℃，鋁硅合金組織中晶粒再結(jié)晶生長(zhǎng)，晶粒大小、形狀逐漸趨于一致，合金的抗拉強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率逐漸變大，當(dāng)退火溫度達(dá)到450 ℃，合金組織均勻，塑性最佳。而當(dāng)退火溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，鋁硅合金的抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率減小，推測(cè)可能是組織中晶粒急劇長(zhǎng)大[5]，塑性變差。

2.1.2 退火溫度對(duì)Al-6Si 絲材組織的影響

退火后的鋁硅合金線坯由5 mm 減徑拉拔至3.17 mm 獲得成品絲材，但由于拉絲形變加工而造成殘余應(yīng)力，使絲材硬度增加，塑性變形能力變差，不利于絲材噴涂過(guò)程送絲，因此需對(duì)成品Al-6Si 絲材再次進(jìn)行均勻化退火以及穩(wěn)定晶粒尺寸。試驗(yàn)選用 300～450 ℃退火溫度進(jìn)行研究，退火時(shí)間1 h，對(duì)退火后的Al-6Si 絲材進(jìn)行金相組織觀察和分析，不同溫度絲材截面的組織如圖 1 所示。從圖1 可以看出，300 ℃絲材晶粒分布不均，隨著溫度增加至400 ℃，晶粒尺寸變化趨于均勻，而當(dāng)溫度增加至450℃，晶粒長(zhǎng)大明顯，對(duì)絲材塑性產(chǎn)生不利影響。因此合適的成品退火溫度為 400 ℃。圖2 是退火后的絲材的外觀和微觀形貌分析。如圖2 所示，所制備的絲材表面光滑，無(wú)肉眼可見(jiàn)毛刺、劃痕及疤痕，有利于絲材火焰噴涂。從Al-6Si 絲材截面微觀形貌可以看出絲材內(nèi)部致密、無(wú)氣孔、縮孔等缺陷。

圖1 不同退火溫度對(duì)成品絲材組織的影響：(a) 300℃；(b) 350℃；(c) 400℃；(d) 450℃Fig.1 Effects of different annealing temperatures on the microstructure of finished wires：(a) 300℃；(b) 350℃；(c) 400℃；(d) 450℃

圖2Al-6Si 絲材外觀及截面微觀形貌：(a) 絲材外觀；(b) 絲材微觀形貌Fig.2 Appearance and cross-sectional micro-morphology of Al-6Si wire: (a) wire appearance; (b) wire micro-morphology

2.2 涂層性能研究

2.2.1 涂層孔隙率分析

孔隙率是衡量涂層防護(hù)性能的關(guān)鍵指標(biāo)[6]，封嚴(yán)涂層的重要特點(diǎn)是具有可磨耗性能[7]，孔隙的數(shù)量增加對(duì)涂層性能的影響主要有兩個(gè)方面：(1) 提高可磨耗性能，隨著封嚴(yán)涂層內(nèi)孔隙數(shù)量增多，增加易碎結(jié)構(gòu)[8]，使刮削產(chǎn)物尺寸盡可能微細(xì)，涂層整體硬度、涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度均會(huì)下降，可磨耗性變好；(2) 增加隔熱性能，密布微孔有效降低涂層的彈性模量緩解熱應(yīng)力，使涂層熱導(dǎo)率下降[3]。但過(guò)多的孔隙會(huì)造成涂層結(jié)構(gòu)極度蓬松，涂層之間內(nèi)聚力極弱，沒(méi)有足夠的強(qiáng)度抵抗外部顆粒和高溫氣流的沖蝕作用，涂層易產(chǎn)生脫落。圖3 是采用火焰噴涂后鋁硅涂層微觀形貌，可以看出研制的Al-6Si 絲材和進(jìn)口鋁硅絲材涂層微觀形貌基本相當(dāng)，兩種絲材制備的涂層致密均勻，與鎳鋁底層界面結(jié)合良好，孔隙率4%～6%，滿足了絲材火焰噴涂鋁硅涂層孔隙率小于12%要求。

圖3 鋁硅絲材涂層微觀形貌：(a) 自制Al-6Si 絲材涂層；(b) 進(jìn)口鋁硅絲材(Metco SF Aluminum)涂層Fig.3 Micromorphology of Al-6Si wire coating: (a) self-made wire coating; (b) imported wire coating

2.2.2 涂層顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度

Al-6Si 絲材主要是應(yīng)用于封嚴(yán)涂層，其正常工作溫度應(yīng)達(dá)到 650 ℃以上，這必須要求涂層與基體具有良好的性能匹配性、高溫穩(wěn)定性、較優(yōu)異的表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，鋁硅絲材涂層其表面硬度 大于70 HV0.3，結(jié)合強(qiáng)度≥25 MPa，表3、表4 分別給出了研制的Al-6Si 絲材和進(jìn)口鋁硅絲材涂層的顯微硬度及結(jié)合強(qiáng)度，兩種涂層的顯微硬度平均值分別為82.9 HV0.3和81.2 HV0.3，基本相當(dāng)，制備的Al-6Si 絲材涂層結(jié)合強(qiáng)度為42.1 MPa，稍高于進(jìn)口絲材35.3 MPa，滿足封嚴(yán)涂層的使用要求。

表3 涂層顯微硬度(HV0.3)Table 3 Coating microhardness(HV0.3)

表4 涂層結(jié)合強(qiáng)度(MPa)Table 4 Coating bond strength(MPa)

2.2.3 熱震性能

將自制Al-6Si 絲材涂層和進(jìn)口鋁硅絲材涂層試片放入450±5 ℃的爐中保溫，保溫5～10 分鐘后，迅速投入20±5 ℃水中淬冷，采用目視或10倍放大鏡檢查涂層外觀，無(wú)起泡、分離、剝落和開(kāi)裂現(xiàn)象，循環(huán)次數(shù)25 次。經(jīng)25 次熱震循環(huán)后，采用自制和進(jìn)口鋁硅絲材制備試片表面涂層均較完整，無(wú)起泡、分離、剝落和開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 熱震試驗(yàn)前后涂層外觀：(a)試驗(yàn)前自制Al-6Si 絲材涂層；(b)試驗(yàn)后自制Al-6Si 絲材涂層；(c)試驗(yàn)前進(jìn)口鋁硅絲材涂層；(d)試驗(yàn)后進(jìn)口鋁硅絲材涂層Fig.4 Coating appearance before and after thermal shock test: (a) self-made Al-6Si wire coating before the test; (b) self-made Al-6Si wire coating after the test;(c) imported Al-6Si wire coating before the test; (d) imported Al-6Si wire coating after the test

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)過(guò)退火，改善了鋁硅合金線坯力學(xué)性能。退火溫度300～450 ℃，抗拉強(qiáng)度從196 MPa 降低至 157 MPa，伸長(zhǎng)率從17.6%增加至26.5%，退火溫度升至500 ℃之后，抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率減小，塑性變差。

(2) Al-6Si 合金絲經(jīng)過(guò)400 ℃退火處理，晶粒尺寸變化趨于均勻，而當(dāng)溫度增加至450 ℃，晶粒長(zhǎng)大明顯，對(duì)絲材塑性不利，因此合適的成品退火工藝為400 ℃。所制備的Al-6Si 絲材表面光滑、內(nèi)部致密、無(wú)氣孔、縮孔等缺陷。

(3) 采用自制Al-6Si 絲材和進(jìn)口鋁硅絲材進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，兩種涂層孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度及熱震等性能基本相當(dāng)，滿足封嚴(yán)涂層應(yīng)用要求。