采用火焰噴涂技術在316L不銹鋼表面制備Ni55A合金涂層，對涂層分別進行火焰重熔和真空重熔處理，分析了重熔處理對涂層微觀形貌、硬度分布和孔隙率的影響。結果表明：火焰重熔和真空重熔可將火焰噴涂涂層的孔隙率從4.2%分別降低到0.34%和0.86%，并將基體與涂層界面處的結合狀態由機械結合變為冶金結合；與火焰重熔相比,真空重熔后涂層與基體界面處的擴散層厚度更大，組織更粗大，孔隙形狀更加不規則；火焰重熔和真空重熔后涂層的平均硬度分別提高了60,15HV，火焰重熔后涂層的硬度較高且硬度波動較小。
1、試樣制備與試驗方法
基體材料選用316L不銹鋼，加工成直徑為18cm的鋼球用于后續噴涂；涂層材料選用Ni55A鎳基自熔合金粉末，粒徑在50~100μm。用酒精對316L不銹鋼基體表面進行沖洗，以去除油污及其他雜質，然后放入自動控溫爐中進行預熱，溫度控制在200℃左右。使用涂噴焊兩用炬進行火焰噴涂，調節氧氣壓力為0.5MPa，乙炔壓力為0.15MPa，火焰噴距為150mm，采用90°垂直噴凃，冷卻至室溫后分別進行火焰重熔和真空重熔處理。選用SCR系列氧-乙烷重熔炬對涂層進行火焰重熔處理，調節火焰噴距為150mm，噴槍移動速度為5cm·min-1，以試樣表面出現“鏡面反光”的熔化現象作為停止火焰重熔的準則。使用加壓氣冷真空燒結爐對涂層進行真空重熔處理，將真空爐抽真空到10Pa后，升溫到1050℃保溫10min，升溫速率為8~15℃·min-1，隨爐冷卻。
采用電火花切割機在重熔前后的涂層試樣上截取金相試樣，經砂紙打磨、機械拋光，采用光學顯微鏡(OM)對涂層截面形貌進行觀察，通過ImageProPlus軟件在相同倍數的金相照片中對涂層的孔隙率進行統計。將金相試樣用飽和草酸溶液電解腐蝕3s后，用OM觀察涂層的顯微組織。采用場發射掃描電鏡(SEM)對重熔前后涂層的微觀形貌進行觀察，并用SEM配備的能譜儀(EDS)對孔隙附近的微區成分進行分析。采用維氏硬度計測試涂層試樣截面硬度，載荷為2.94N，保載時間為15s，測點間距為1mm。
2、試驗結果與討論
2.1 孔隙率
熱噴涂涂層是由接近熔融狀態的形狀和尺寸不一的變形顆粒互相交錯層狀堆疊 在一起而形成的，不可避免會存在孔隙。由圖1可知，重熔前火焰噴涂制備的涂層中孔隙數量多，尺寸大，形狀不規則且分布不均勻，同時在涂層與基體的界面處分布著許多細長且不規則的微孔隙。這是因為火焰噴涂噴射粉末的飛行速度有限，高溫軟化的變形顆粒到達基體表面后冷卻，難以充分變形來完全填滿間隙，從而形成孔隙；同時部分呈熔融態的變形顆粒在凝固過程中發生體積收縮，也容易形成縮孔。經過火焰重熔和真空重熔處理后，涂層中原有的層狀組織、條帶狀和近似圓形的較大孔隙消失，出現了尺寸大小不一的細小孔隙。這是因為重熔過程中涂層再次熔化，液態材料重新填充孔隙，使得涂層組織更加均勻致密。統計得到火焰噴涂制備的涂層孔隙率為4.2%，經過火焰重熔和真空重熔處理后涂層的孔隙率分別降低為0.34%和0.84%。可知2種重熔處理對涂層孔隙率的降低均有顯著效果。
2.2 微觀形貌
由圖2可見：火焰噴涂制備涂層與基體之間存在較為清晰的界面，沒有明顯的過渡區域，無冶金擴散現象，呈現典型的機械結合特征；噴涂時顆粒發生變形并逐漸堆積，導致涂層內局部呈現層狀結構，并且存在條帶狀不規則孔隙、圓形孔隙和未熔顆粒等缺陷，部分孔隙內存在夾雜物。上述層狀結構和大量未填充孔隙表明火焰噴涂制備的涂層結構不致密。
由圖3可以看到：火焰重熔后，涂層與基體界面處的擴散層由緊鄰涂層一側厚度約為4μm的白亮帶與緊鄰基體一側厚度約為10μm的灰色組織組成；火焰重熔后原始涂層中的層狀結構消失并形成了細小均勻的組織。真空重熔后，涂層與基體界面處的擴散層由緊鄰涂層一側厚度約為60μm的白亮帶與緊鄰基體一側厚度約為60μm的淺灰色組織組成，并且在淺灰層與基體間出現晶粒尺寸逐漸增大的過渡區。真空重熔后涂層中的層狀結構消失，涂層組織相對于火焰重熔后的組織更加粗大。在重熔過程中，涂層材料在接近液相線的溫度下發生了充分的浸潤，涂層與基體界面處發生擴散互溶而形成了擴散層；擴散層的形成實現了涂層與基體之間的冶金結合，確保了涂層具有足夠的結合強度。由于真空重熔過程中試樣整體在高溫下的停留時間較長，因此真空重熔涂層試樣的擴散層厚度更大，組織更粗大。
由圖4可以看出：火焰重熔涂層中存在圓形孔隙和不規則孔隙。尺寸較大的圓形孔隙中存在球形夾雜物顆粒，由EDS分析確定夾雜物主要由硅、氧元素組成，極有可能是原合金粉末中的硅元素在火焰重熔時反應形式的SiO2顆粒；大圓形孔隙附近的少數小圓形孔隙的內表面光滑，無粒狀夾雜物，元素組成與周圍組織相同，因此推斷這些小圓形孔隙是由于火焰噴涂過程中凝固不均勻，熔融的金屬在表面張力下形成的圓形凹陷。小圓形孔隙可以通過提
高重熔溫度和延長保溫時間進行改善。不規則孔隙內存在形狀不規則的夾雜物，經EDS分析確定夾雜物富含硅元素，說明火焰重熔后涂層的不規則孔隙中析出了SiO2顆粒。SiO2顆粒會阻礙液態金屬對孔隙的填充，從而形成不規則孔隙。
由圖5可以看出：真空重熔涂層中有些不規則孔隙內富含碳、氧、鉻元素，不存在鎳、鐵元素，因此推斷孔隙中存在鉻的碳化物和氧化物。這些化合物的熔點較高，在重熔過程中未熔化導致不規則孔隙的形成。還有些不規則孔隙內存在顆粒狀夾雜物，主要構成元素為硅和氧，判斷應為SiO2，同時孔隙中局部位置的鉻和碳含量較高,推斷應存在鉻的碳化物。SiO2和鉻的碳化物熔點均較高，聚集在一起會阻礙涂層材料重熔后對孔隙的充分填充，導致不規則孔隙的形成。火焰重熔后涂層孔隙中存在SiO2夾雜物顆粒，孔隙形狀小且規則；真空重熔后涂層中除了存在SiO2 還存在鉻的碳化物，孔隙形狀大且不規則。
2.3 硬度
由圖6可以看出，不同工藝重熔前后涂層的硬度均高于基體的硬度。火焰噴涂制備涂層的平均硬度為485HV，經火焰重熔和真空重熔處理后，涂層的平均硬度分別提高至545，500HV；2種重熔工藝均可提升涂層的硬度。火焰重熔涂層的硬度最高且硬度波動較小，真空重熔涂層的硬度略高于未重熔涂層，但硬度波動較大，這是由于火焰重熔后涂層的組織比真空重熔涂層更細小均勻所致。
3、結 論
(1)火焰噴涂制備的Ni55A合金涂層中存在大量孔隙，火焰重熔和真空重熔處理可將涂層的孔隙率從4.2%分別降低到0.34%和0.86%，并將基體與涂層界面處的結合狀態由機械結合變為冶金結合；與火焰重熔相比，真空重熔后涂層與基體界面處的擴散層厚度更大，組織更粗大。
(2)火焰重熔和真空重熔均可使火焰噴涂制備涂層中的層狀結構消失；火焰重熔后涂層孔隙中存在SiO2夾雜物顆粒，孔隙形狀小且規則，而真空重熔后涂層中除了存在SiO2，還存在鉻的碳化物，孔隙形狀大且不規則；火焰重熔和真空重熔后涂層的平均硬度分別提高了60，15HV；火焰重熔涂層的硬度更高且硬度波動較小，這與火焰重熔后涂層組織更細小均勻有關。
引用本文：
王學朋，馬軍，趙文寶，等.重熔處理對火焰噴涂Ni55A合金涂層組織和性能的影響[J].機械工程材料，2023，47（5）：8-13.
Wang X P , Ma J, Zhao W B, et al.Effect of Remelting Treatment on Microstructure and Properties of Ni55A Alloy Coating by Flame Spraying, 2023, 47（5）: 8-13.
DOI:10.11973/jxgccl202305002
