大气等离子喷涂Fe基涂层及氩弧重熔层组织与力学性能学习体会

文献概况与技术背景

本文出自河北工业大学材料科学与工程学院与装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，发表于《材料导报》2019年第33卷第4期，受国家自然科学基金和河北省自然科学基金资助。研究采用氩弧重熔技术对大气等离子喷涂（APS）Fe基涂层进行重熔处理，系统分析了重熔前后涂层的显微组织和力学性能变化。在装备再制造领域，涂层修复技术是恢复零部件性能、延长使用寿命的关键手段。

大气等离子喷涂层的固有缺陷

大气等离子喷涂由于使用空气作为送粉介质，喷涂层不可避免地存在以下固有缺陷：

• 层状结构：由粉末颗粒逐层沉积形成，层间结合力较弱。
• 气孔：粉末颗粒间未完全致密化形成的孔隙。
• 未熔颗粒：等离子焰流未能完全熔化粉末颗粒，残留的原始粉末形态。
• 夹杂物：送粉过程中混入的杂质或粉末表面的氧化物。

这些缺陷导致APS涂层的孔隙率较高（本研究中为4%），结合方式为机械结合而非冶金结合，涂层与基体之间可能存在明显缝隙。孔隙率和结合强度的不足严重限制了涂层在重载工况下的适用性。

氩弧重熔处理效果分析

组织改善效果

重熔处理最显著的效果是孔隙率从4%大幅降低至0.4%，降幅达90%。这一改善源于重熔过程中熔池的充分流动和气体排出。同时，层状结构、气孔、未熔颗粒和夹杂物基本被消除，涂层组织由喷涂态的松散层状转变为致密的冶金结合层。

微观组织对比

喷涂层的微观组织由微晶区、纳米晶区和过渡区组成，结晶度较差，原子排列较混乱。这种组织特征源于等离子喷涂过程中粉末颗粒的快速冷却和不完全熔化，导致晶粒细小但排列无序，晶界密度高。

重熔层则由单晶区和(Fe,Cr)₂₃C₆相构成，析出相与基体界面处无显微裂纹，结晶度较好，原子排列较规则。单晶区的形成源于重熔过程中熔池的充分重熔和缓慢凝固，(Fe,Cr)₂₃C₆碳化物作为硬质相弥散分布在基体中，提供了强化效果。

界面结合机制变化

喷涂层与基体结合处有明显缝隙，结合方式为机械结合。这种结合方式依赖于涂层颗粒与基体表面的机械互锁，结合强度有限，在循环载荷或热冲击条件下容易发生界面剥离。

重熔层与基体界面产生"白亮带"，结合方式为冶金结合。白亮带是重熔过程中熔池与基体充分融合形成的扩散层，其宽度反映了冶金结合的深度。冶金结合通过原子间的化学键合实现，结合强度远高于机械结合，显著提高了涂层在服役条件下的可靠性。

力学性能提升的机理分析

重熔层平均显微硬度和弹性模量的显著提升（分别提高33.4%和53.2%）源于以下强化机制的协同作用：

1. 孔隙率降低：孔隙作为应力集中源，其消除直接提高了材料的承载能力。
2. 组织致密化：从层状结构转变为致密组织，消除了层间弱界面。
3. 碳化物强化：(Fe,Cr)₂₃C₆相的弥散分布提供了第二相强化。
4. 冶金结合：界面结合强度的提高使涂层能够更有效地传递载荷。

表面粗糙度降低43.2%则有利于降低摩擦系数，提高耐磨性能，这对于摩擦学应用尤为重要。

工程应用价值与工艺优化思考

在装备再制造领域，APS Fe基涂层因其工艺灵活性、适用范围广而被广泛采用，但其固有缺陷限制了在高要求工况下的应用。氩弧重熔处理作为后处理手段，能够显著改善涂层的组织和性能，使其满足更严苛的使用要求。

然而，在实际工程应用中还需考虑以下问题：重熔过程对基体材料的影响（如热影响区的硬度变化和残余应力）；重熔层与基体之间的热膨胀系数匹配问题；涂层在循环载荷和腐蚀介质中的长期可靠性。此外，重熔工艺参数的优化（如电流、速度、钨极直径）需要根据具体的涂层材料体系和基体材料进行针对性调整。

本文的研究结果表明，氩弧重熔处理是改善APS Fe基涂层性能的有效手段，为装备再制造中的涂层修复技术提供了重要的技术支撑。在实际生产中，结合数值模拟和工艺优化方法，可以进一步提升重熔处理的工艺稳定性和产品一致性。