第２５卷第３期 ２０１１年９月 黑龙江工程学院学报（自然科学版） Ｖｏｌ＿２５№．３ Ｓｅｐ．，２０１１ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 超音速电弧喷涂制备铝青铜涂层工艺研究 于久灏，尹志娟，王国星 （黑龙江工程学院材料与化学工程系，黑龙江哈尔滨１５Ｏ０５Ｏ） 摘要：电弧喷涂是重要的热喷涂技术之一，在表面修复和强化方面得到广泛的应用。采用超音速电弧喷涂先进铝 青铜涂层制备进行试验。通过超音速电弧喷涂的正交试验，优化喷涂工艺参数。最佳工艺参数：喷涂电压为３６ Ｖ， 压缩空气压力为０．８ ＭＰａ，喷涂距离为１００ ｍｍ，喷涂电流为２１０ Ａ。影响涂层结合强度最大的因素是喷涂电压，此 外，压缩空气压力和喷涂距离都对结合强度有很大的影响，而喷涂电流的影响几乎可以忽略不计。 关键词：超音速电弧喷涂；正交试验；硬度；结合强度 中图分类号：ＴＧ１７４．４４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—４６７９（２０１１）０３—００４５—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｅｃｈｎｉｃｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ａｒｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ ＡＩ—Ｃｕ ｃｏａｔｉｎｇ ＹＵ Ｊ ｉｕ—ｈａｏ。ＹＩＮ Ｚｈｉ－ｊ ｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｇｕｏ—ｘｉｎｇ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｒｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｏｒｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｒｅｐａｉｒ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ．Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ａｒｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｐｒａｙｉｎｇ ａｌｕｍｉｎｕｍ－ｂｒｏｎｚｅ ｔｅｓｔ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ａｒｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ，ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｏｐｔｉｍｕｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ：ｓｐｒａｙｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ３６ Ｖ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ０．８ ＭＰａ，ｓｐｒａｙｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ １００ ｍｍ， ｓｐｒａｙｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ２ １ ０ Ａ．Ｃｏａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ， ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｐｒａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ａｌｌ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｃａｎ ａｌｍｏｓｔ ｂｅ ｉｇｎｏｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｈａｒｄｎｅｓｓ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 电弧喷涂技术是新兴的表面工程技术中热喷涂 技术的一个分支，而超音速电弧喷涂又是电弧喷涂 技术的主要研究内容，也是一种材料表面防护和强 极而产生电弧，熔化金属丝端部，在高速气流的雾化 作用下，熔化的金属连续地射出，形成稳定的细小粒 子流，落在基体表面形成涂层。 超音速电弧喷涂技术的关键是喷枪。喷枪采用 化的新技术，在制备防腐蚀涂层、耐磨损涂层、抗氧 化涂层、装饰性涂层等方面具有独特的优越性。 拉伐尔喷嘴和气体循环冷却技术，高压空气经喷枪 的头部进人枪体，在冷却拉伐尔喷嘴的同时，将自身 加温，然后进入拉伐尔喷嘴，加速到超音速。超音速 气流与熔化的丝材作用，将丝材雾化为粒度细小、分 铝青铜是一种常用减摩材料，是大型轴承套圈 的主要材料，传统方法采用焊接进行联接，由于加热 温度高，具有基体变形大、原材料损耗大、生产效率 低等缺点，采用超音速电弧喷涂技术制备铝青铜涂 层具有重大的实用意义。 布均匀的粒子，并将其加速到超音速。 其性能与特点：①喷涂粒子速度高，喷涂钢的 速度为３８６ ｍ／ｓ；喷涂铝的速度为４０５ ｍ／ｓ（普通电 弧喷涂１００ ｍ／ｓ左右）；②涂层结合强度高，喷涂涂 层结合强度达到６Ｏ ＭＰａ；③涂层硬度高，喷涂涂层 １ 超音速火焰喷涂原理与特点 超音速电弧喷涂原理：连续送进的２根金属丝 在喷枪前以固定的角度相交，并连接于直流电源两 收稿日期：２０１１－０５—０９ 基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（１１５５１３８８） 作者简介：于久灏（１９７１一），男，讲师，研究方向：金属材料 硬度为ＨＶｌ８０；④喷涂效率高，喷涂不锈钢丝沉积 效率高达７５ ；⑤涂层孔隙率低，涂层呈现典型的 层状组织结构，涂层孔隙大小平均为４．３２ Ｆｍ，孔隙 率约为４ ９／６；⑥喷涂颗粒细小均匀，平均粒度为 黑龙江工程学院学报（自然科学版） 第２ｊ卷 ４．３２／ｚｍ，较大的为１０．８ ｍ，较小的为１ ｍ；⑦喷 涂Ｔ件变形小。 ２超音速火焰喷涂工艺试验 ２．１试验材料 本实验所使用的涂层材料为ＱＡ１９—２铝青铜合 金，其抗海水腐蚀性能及耐磨性能较好，不含稀贵元 素，成本比锡青铜低，可用作船用零件、化工机械中 的高压阀门，也可用作承受中等载荷的耐磨件。试 验基体材料为Ｑ２３５钢，试板尺寸１２０ ｍｍ× ７０ ｍｍ×１０ ｍｍ，棒材 １５ ｍｍ×６５ ｍｍ。ＱＡ１９—２ 合金丝材为０３．０ ｍｍ的实芯丝材。 ２．２涂层制备过程 超音速电弧喷涂技术制备涂层试样的基本工艺 流程如图１所示。 化学方法除油锈Ｈ喷砂处理Ｈ调整工艺参数Ｈ喷涂 图１ 超音速电弧喷涂基本工艺流程 喷涂前先用丙酮清洗除油净化，盐酸除锈，在试 样除油除锈后，对试样表面进行喷砂处理。喷砂处 理后用干净的压缩空气吹去试验工件表面的浮土和 尘埃，可以增大工件表面的活性和喷涂层的接触面 积。本试验采用的是棕刚玉砂（Ａ１ ｚＯ。，适用于硬度 值为４０ＨＲＣ左右的工件表面）。可简单地用肉眼 观察判断喷砂后工件的表面粗糙度是否合格。为了 保证基材表面活性好，防止表面再次污染、氧化以至 生锈，在喷砂３ ｈ内喷涂涂层。 ２．３正交试验过程 超音速喷涂影响涂层质量的主要因素有喷涂电 流、喷涂电压、压缩空气压力和喷涂距离。通过正交 试验，除了可以找到最佳工艺参数，还可以了解以上 某个具体的因素对喷涂涂层质量的影响。基于以上 思路，选择内含４因素３水平，见表１，总共９个处 理号的Ｌ９ ４ ３型正交表，见表２。该表格的特点是 可以进行相对少的试验（总共９组试验），而验证多 个因素对涂层质量的影响，而且可以进行回归试验， 验证试验的准确性。以超音速电弧喷涂铝青铜涂层 结合强度作为评价涂层质量的标准。 表ｌ 喷涂工艺的水平和因素组合 ＼水平 喷涂电压 空气压力 喷涂距离 喷涂电流 因素＼ ／Ｖ，／ＭＰａ ／ｒａｍ ／Ａ ２．４涂层结合强度测试 本试验采用的粘结剂对偶试样拉伸定量试验法 测定涂层结合强度，如图２所示。 基体 凉层 粘结剂 基体 图２喷涂层结合强度的拉伸试样试验 对圆柱体形状Ａ（材料为Ｑ２３５钢）的端面进行 喷砂处理，涂层的厚度约为２ ｍｍ。同时在同等材 料和尺寸的圆柱体形状Ｂ的端面进行喷砂处理。 在试样Ａ的涂层面和Ｂ的粗化面之问，涂一层薄而 均匀的粘合剂，令两试样轴线重合，并加以适当压力 使其充分粘合，不要使气泡残留在粘合剂中，溢ｍ的 粘合剂清除，以免影响检测精度。待固化后，进行拉 伸试验。结合强度计算式可表示为 ４Ｆ ６ｂ一—７ｒＤ—２‘ 式中： 为喷涂层拉伸结合强度，ＭＰａ；Ｆ为喷涂层 被拉断时的外加载荷，Ｎ；Ｄ为圆柱体Ａ或者Ｂ的 直径，ｍｍ。 ３试验结果与讨论 正交试验结果如表２所示。 表２超音速电弧喷涂正交试验结果 表２中均值表示不同水平时结合强度的平均 值，如均值１对应喷涂电压栏中数据表示在喷涂电 压为水平１时结合强度的平均值，其余类推。 极差表示不同水平时涂层结合强度拉断力最大 值与最小值之间的差值，该数值反映的是该因素对 第３期 于久灏，等：超音速电弧喷涂制备铝青铜涂层工艺研究 参照标准的影响能力。根据选定的参数及其影响水 平，结合强度的结果表明喷涂电压对涂层结合强度 影响极差值为０．９，压缩空气压力和喷涂距离对涂 层结合强度的影响也较大，而喷涂电流在实验范围 内对涂层结合强度的影响较小。 通过分析表２可以看出： ４ 结束语 通过正交试验，确定了最优工艺参数：喷涂电压 ３６ Ｖ，喷涂电流强度２１０ Ａ，压缩空气压力 ０．８ ＭＰａ，喷枪至工件最佳距离１００ ｍｍ。 通过对涂层的结合强度分析可知：影响涂层结 １）超音速电弧喷涂时，喷涂电压对涂层质量有 明显的影响，高电压下喷涂粒子尺寸大，涂层表面粗 合强度最大的因素是喷涂电压，另外压缩空气压力 和喷涂距离都对结合强度有很大的影响，而喷涂电 糙，涂层中氧化物增多，为获得高质量的涂层，应在 电弧稳定的前提下，采用尽量低的电弧电压，当电压 过低时，会发生丝材外侧没有熔化而飞向工件，在涂 层表面形成不规则的大颗粒现象，稍稍提高工作电 压，即可消除这种现象。提高涂层结合强度最佳的 喷涂电压在３６ Ｖ左右。 ２）压缩空气压力大小直接影响涂层的致密程 度，随着压力的增加，涂层越致密，结合强度越高，表 面粗糙度越低，越光滑。但随着压力增加，对设备要 求较高，成本增加。因此，提高涂层结合强度最佳的 压缩空气压力为０．８ ＭＰａ。 ３）喷涂距离直接影响涂层的结合强度和沉积效 率，超音速电弧喷涂的最佳喷涂距离为１００ ｍｍ，熔 融颗粒具有较高的动能，有利于提高涂层的结合强 度。 ４）采用大电流的电弧喷涂工艺获得的涂层的结 合强度普遍高于小电流电弧喷涂工艺获得的涂层的 结合强度。这是因为随着电弧电流的增大，热源的 功率提高，对微粒的加热程度也就越高，从而使涂层 结合强度提高。但是电流增大到一定程度后，结合 强度反而下降，最佳喷涂电流应在２００ Ａ左右。 综上所述，喷涂电压、压缩空气压力和喷涂距离 都对涂层结合强度有很大的影响，而喷涂电流的影 响几乎可以忽略不计。 流的影响几乎可以忽略不计。喷涂后的表面根据使 用要求需进行打磨、抛光处理。 参考文献 Ｅｌｉ聂铭，林介东．超音速活性电弧喷涂技术在电力行业中的 应用［Ｊ］．冶金丛刊，２００４（５）． Ｅ２３张忠礼，李德元．电弧喷涂铝青铜复合涂层的抗高温氧 化作用与机理［Ｊ］．焊接学报，２００６（４）． Ｅ３］张忠礼，李德元．电弧喷涂铝青铜涂层的力学性能［Ｊ］． 表面技术，２００６（４）． Ｅ４］查柏林，王汉功．超音速电弧喷涂技术［Ｊ］．机械工人， ２００２（６）． Ｅ５］董允，张廷森，林晓娉．现代表面工程技术Ｉ－Ｍ］．北京：机 械工业出版社，２００５． ［６３钱苗根，姚寿山，张少宗．现代表面技术［Ｍ］．北京：北京 工业大学出版社，２００４． Ｅ７］徐滨士，刘世参．表面工程新技术［Ｍ３．北京：国防工业 出版社，２００２． ［８］杜小红．电弧喷涂技术在中国的发展与应用厂Ｊ］．表面技 术，２０００（５）． ［９］潘应军，张恒，黄宁．热喷涂ｚｎ一１５ Ａｌ合金的耐蚀性 研究ＥＪ］．腐蚀与防护，２００２（１２）． ［１０］易春龙．电弧喷涂技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００６． ［责任编辑：郝丽英］