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(yù)處理及噴涂工藝各環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求和工藝參數(shù)的優(yōu)化，給出避免或減少涂層缺陷的對(duì)策。
       電弧噴涂技術(shù)是目前熱噴涂技術(shù)中最受重視的技術(shù)之一。電弧噴涂設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，但若噴涂工藝不當(dāng)，易產(chǎn)生一些缺陷。
       一、涂層缺陷及防止對(duì)策
       1.噴涂層剝落
       噴涂層剝落是涂層最常見(jiàn)的缺陷之一，歸結(jié)起來(lái)有以下幾種原因:
       (1)噴涂前基體表面的預(yù)處理不符合要求
       在熱噴涂前，對(duì)基體表面進(jìn)行清理、粗化、預(yù)熱、噴涂結(jié)合底層等工藝方法統(tǒng)稱(chēng)為表面預(yù)處理。這種預(yù)處理是提高涂層與基體物理結(jié)合、擴(kuò)散結(jié)合和機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度的重要工序。基體表面清洗不徹底會(huì)降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。熱噴涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度又與基體表面的粗糙度有關(guān)，粗糙度值太小，表面太光滑同樣會(huì)降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。因此，基體表面的粗糙度值應(yīng)達(dá)到Rz25~100μm。吸射式干噴鋼砂制備表面時(shí)，噴砂壓力越大，獲得的粗糙度越大，在設(shè)備允許的情況下，壓力越大越好；噴砂角度對(duì)粗糙度的影響成正比，但當(dāng)噴砂角度為90度時(shí)，偶有砂粒嵌入，嵌入工件的砂粒降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，因此對(duì)平面工件應(yīng)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(shí)，壓縮空氣中含有過(guò)多的油分及水蒸汽會(huì)降低結(jié)合強(qiáng)度。所以，噴吵用空氣壓縮機(jī)應(yīng)裝有油水分離器和空氣過(guò)濾器，以保證壓縮空氣的潔凈；對(duì)處理好的基體表面，應(yīng)及時(shí)噴涂，盡可能縮短表面制備處理后到完成噴涂施工的時(shí)間間隔，一般不要超過(guò)2h,。對(duì)不能及時(shí)噴涂的工件，應(yīng)用清潔的塑料膜覆蓋保護(hù)。
       (2)噴涂工藝不當(dāng)
       試驗(yàn)證明，在所有工藝參數(shù)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(gè)參數(shù)影響熔粒的形成，而熔粒的結(jié)合性能與熔粒的尺寸、結(jié)合面積、粘結(jié)力、熔粒內(nèi)部及界面的熱應(yīng)力有關(guān)。從噴槍飛出的熔粒，其飛行速度、溫度及飛行過(guò)程中所發(fā)生的表面反應(yīng)都將影響涂層的形成、涂層質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。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(dāng)噴涂距離過(guò)大時(shí)，熔粒打擊到基體表面的溫度和動(dòng)能不夠，熔粒不能產(chǎn)生足夠的變形，涂層疏松多孔，質(zhì)量較差，結(jié)合強(qiáng)度較低；當(dāng)噴涂距離過(guò)小時(shí)，可以保證熔粒的速度和溫度較高，但基體和涂層被氧化嚴(yán)重而使粘結(jié)強(qiáng)度降低，并且隨著氧化程度的增大，甚至?xí)够w和涂層完全失去粘結(jié)力。噴涂距離一般以140~200mm 為宜。噴涂角度應(yīng)≥60度，當(dāng)噴涂角度＜60度時(shí)，因“遮蔽效應(yīng)”形成許多不規(guī)則的多孔涂層，降低結(jié)合強(qiáng)度，噴涂角度一般60度至90度合適。送絲速度的調(diào)節(jié)要適中，速度過(guò)低，影響噴涂生產(chǎn)率；速度太快，熔融的顆粒大，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)未熔化的絲材，涂層質(zhì)量、結(jié)合強(qiáng)度降低。粒子霧化特性的優(yōu)劣直接影響涂層的最終質(zhì)量，壓縮空氣對(duì)熔化的材料進(jìn)行霧化及對(duì)熔滴進(jìn)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(jié)合強(qiáng)度降低；壓力和流量太大，易降低熱源溫度，影響熱源穩(wěn)定性。試驗(yàn)證明當(dāng)壓縮空氣的壓力＜0.4MPa時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度將顯著降低。
       (3)殘余應(yīng)力引起涂層剝落
       熱噴涂層在凝固和冷卻過(guò)程中，由于收縮會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而且涂層中內(nèi)應(yīng)力隨涂層厚度的增加而增加，這種內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致噴涂層剝落。噴涂層隨著厚度的增加，整個(gè)涂層之間的殘余應(yīng)力增大、粘結(jié)強(qiáng)度降低。因此在滿(mǎn)足要求的條件下，盡可能降低涂層厚度，對(duì)于噴涂后要求進(jìn)行加工的工件，要盡可能減少加工余量。當(dāng)噴涂材料與基體的熱膨脹系數(shù)不一致時(shí)，涂層冷卻后，涂層與基體的收縮量不一致，形成殘余應(yīng)力，而且膨脹系數(shù)相差越大，這種趨勢(shì)越大，故在選擇噴涂材料時(shí)，在滿(mǎn)足耐磨、耐蝕等性能要求下，盡可能選擇與基體熱膨脹系數(shù)相同或相近的噴涂材料。基體與涂層材料的化學(xué)成分相差太大會(huì)使其組織結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)相差很大，噴涂過(guò)程中，在基體與涂層的界面會(huì)由于溫度和相變而產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，降低結(jié)合強(qiáng)度，引起涂層剝落。為此可利用梯度涂層或復(fù)合涂層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的涂層，通過(guò)相近的材料組成連續(xù)過(guò)渡涂層，使涂層的化學(xué)成分由基體平緩過(guò)渡到涂層表面，從而緩和兩種材料直接結(jié)合引起的組織結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)的突變，以此來(lái)減少應(yīng)力，提高結(jié)合強(qiáng)度。涂層收縮力與基體的法線方向一致，當(dāng)噴涂?jī)?nèi)孔或平面時(shí)，收縮力方向背向基體表面不利于涂層與基體表面的結(jié)合，故在噴涂?jī)?nèi)孔或平面時(shí)，宜采用落層噴涂(即在噴涂過(guò)程中采取間歇噴涂、保溫、緩冷等措施，來(lái)減少涂層應(yīng)力)，避免涂層剝落。對(duì)細(xì)長(zhǎng)、薄壁工件易產(chǎn)生基體過(guò)熱，冷卻后變形大，影響結(jié)合強(qiáng)度。在電弧噴涂時(shí)，熔融的粒子溫度高，為避免工件表面過(guò)熱，必須快速移動(dòng)噴槍?zhuān)鶕?jù)涂層厚度、噴涂生產(chǎn)率等參數(shù)來(lái)確定適中的噴槍移動(dòng)速度。對(duì)基體預(yù)熱來(lái)消除殘余應(yīng)力，預(yù)熱溫度一般控制在95℃。
       (4)使用不當(dāng)，造成涂層脫落
       噴涂后的工件在使用中，涂層與基體結(jié)合面垂直方向的拉應(yīng)力超過(guò)涂層與基體的抗拉結(jié)合強(qiáng)度，或涂層與基體結(jié)合面平行方向的剪應(yīng)力超過(guò)涂層與基體的抗剪結(jié)合強(qiáng)度，涂層受到較大的力偶作用，都會(huì)導(dǎo)致涂層的剝落。
       2.涂層龜裂
       涂層龜裂是指涂層表面或內(nèi)部出現(xiàn)局部的小面積或封閉形的裂紋。引起涂層裂紋的原因有：①?lài)娡繉舆^(guò)熱。在噴涂過(guò)程中，噴涂距離太小或噴槍移動(dòng)的速度相對(duì)工件太慢，引起涂層局部過(guò)熱，當(dāng)涂層冷卻后，由于應(yīng)力作用在涂層表面產(chǎn)生裂紋。為避免過(guò)熱而產(chǎn)生裂紋，在噴涂操作時(shí)要調(diào)整好噴涂距離和噴槍移動(dòng)速度。②涂層內(nèi)裂紋與飛行中熔融粒子的狀態(tài)有密切關(guān)系，當(dāng)被加熱到過(guò)熱狀態(tài)的粒子中含有氣泡時(shí)，它撞擊到基體表面時(shí)發(fā)生飛散現(xiàn)象，形成薄層狀粒子，在熱應(yīng)力作用下，薄層狀粒子會(huì)產(chǎn)生裂紋。為此，要確保噴涂材料、基體表面無(wú)油、水、銹、漆等污物，嚴(yán)防有害氣體產(chǎn)生。另外，要調(diào)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(chǎn)生裂紋，所以，在滿(mǎn)足涂層性能要求下，盡可能選用抗裂性好的噴涂材料。④?chē)娡抗ぜ傂源螅ぜ砻嬗挟a(chǎn)生應(yīng)力集中的嚴(yán)重缺陷，易產(chǎn)生裂紋，為此應(yīng)盡可能消除基體表面較明顯的應(yīng)力源。⑤噴涂層受到驟冷，易產(chǎn)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(chǎn)生裂紋，故在噴涂操作時(shí)要注意噴槍移動(dòng)速度以及送絲速度的穩(wěn)定。
       3.涂層氣孔
       當(dāng)一些熔融粒子在同方向且平行地打擊到基體表面上時(shí)，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(shí)形成氣孔。涂層氣孔的形成與噴涂前基體表面預(yù)處理及噴涂工藝不規(guī)范有關(guān)。降低孔隙率，提高致密度要著重從控制有害氣體的產(chǎn)生和采取合理的工藝參數(shù)兩個(gè)方面著手。
       二、涂層固有缺陷后處理
       對(duì)于因表面預(yù)處理工藝、噴涂工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的涂層缺陷，我們可以通過(guò)優(yōu)化工藝來(lái)改善涂層質(zhì)量，提高結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)涂層本身的固有缺陷，我們可以針對(duì)涂層不同的使用工況進(jìn)行不同的涂層后處理來(lái)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(jī)械處理和擴(kuò)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(fā)生脫氧反應(yīng)且潤(rùn)濕基體表面，形成與基體表面具有金相結(jié)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(nèi)重熔、感應(yīng)重熔、激光重熔。通過(guò)重熔處理，涂層中的氧化物雜質(zhì)和孔隙會(huì)在重熔中消除，層狀結(jié)構(gòu)也會(huì)變成均質(zhì)結(jié)構(gòu)，這樣可大幅度提高結(jié)合強(qiáng)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(lái)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(huán)氧樹(shù)脂、環(huán)氧酚醛、硅酸鈉等。
       機(jī)械處理常采用噴丸和滾壓方法來(lái)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(yīng)力，改善涂層性能。
       擴(kuò)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(kuò)散，在結(jié)合界面處形成表面合金化的擴(kuò)散組織。通過(guò)擴(kuò)散處理，形成更多的金相結(jié)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(jié)合強(qiáng)度。