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什么因素对电弧喷涂铝层感应重熔实验研究有重大影响

发布时间:2014-04-28 10:49 新闻来源:正航仪器 浏览次数:
 
 
 
 
一、电流对重熔过程的影响
我们在实验中选用电流范围在180~450 A之间,观察不同电流条件下涂层的重熔情况。图4-17给出了相同处理时间(10 S)条件下电流对重熔效果的影响。当电流超过350 A时,在相同的时间内工件温度升高过快,铝涂层很快熔化流淌,但是在截取试样时发生涂层崩落现象,这表明涂层与基体在形成良好的冶金层之前,外层铝已经熔化流淌;实验还发现当感应电流较高时,虽然涂层表面熔融流淌,但是涂层中间部位相对于原始状态变化很小,或者根本没有进行重熔,在涂层内部仍有大量气孔和夹杂存在。这是因为大电流条件下,过快的热量积累会导致涂层次表面温度过高,超过铝的熔点之后,发生铝涂层的熔化流淌,影响了重熔效果;当感应电流电流小于250 A时,热量积累较慢,铝层不能很好的熔化,而且较长的处理时间还增大了试样表面被氧化的几率,难以与基体形成良好的结合层。本文经过尝试性实验后,发现当感应电流处于250~350 A时,重熔效果相对好一些,因此选定感应电流为300 A。
二、处理时间对重熔过程的影响
图4-18反映了同一电流(300 A),不同处理时间条件下喷涂层的组织变化情况,时间
分别为:(a)5s,(b)10 s,(c)20 s,(d)30 s。感应重熔初期,铝涂层与基体之间界线非常分明,无明显的扩散过渡层,如图4-18(a)所示。由于加热时间较短,涂层大部分仍保持原貌,仅仅是消失了层状的搭嵌结构,但仍存在一定量的气孔和渣类夹杂。随着加热时间的延长,界面附近以及涂层内部开始发生变化,如图4-18(b)所示,在界面处有铝向铁基体渗入的趋势,原先在界面处存在较多的渣类有所减少,并向涂层表层方向推进汇集,与基体相邻的铝涂层开始呈现单一的致密结构。体较好的结合在了一起,涂层组织在重熔后显得更为均匀致密,气孔和渣类继续聚集并向外层推出。当感应时间继续增加到30s时,涂层得以重熔的区域继续增大,见图4-18(d)。
一方面在界面处铝向铁基体渗透,在光学显微镜下可以看到大约为30μm宽的较为明显的明亮带,经X射线衍射证明为铁铝化合物。这表明涂层和基体的结合方式已经由主要为机械结合转变为冶金结合;另一方面,涂层本身也更加致密,在一定的深度范围内已经观察不到气孔和夹杂的存在,气孔和渣类由于电磁搅拌作用几乎全部被推向涂层顶部。由于感应重熔属于热量随时间积累的过程,因此处理时间也不宜过长。实验证明,在感应电流为300 A的条件下,处理时间保持在在35 s左右比较合适,否则将发生“过烧”,使涂层熔融流淌,或者不能充分重熔。
 

电弧喷涂铝层感应重熔实验研究
 
 
三、重熔后涂层的相组成分析
为了了解涂层在感应重熔前后内部组织的具体变化情况,我们对重熔前后电弧喷涂铝层的相组成进行了对比。重熔前电弧喷涂铝层主要由比较单一的铝组成,并含有少量的氧化物。我们认为电弧喷涂工艺的特点是存在氧化物的原因。由于喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪形堆叠在一起的层状组织结构,而且熔滴在雾化阶段和向基体喷射的飞行阶段过程中不可避免氧化现象,因此颗粒之间就存在一部分氧化物。
为分析重熔后试样从涂层表面到基体的相组成情况,我们除去工件表面的由于加热而形成的氧化皮,并进行了逐级打磨,图4-19显示的是涂层重熔后不同深度的XRD分析,各层与原始表面的距离分别是:(a)80μm,(b)120μm,(c)160μm,(d)200μm。对涂层各个深度的XRD分析表明,重熔后涂层由表及里的相组成依次是:Al→FeAl3→Fe2Al5,表层保持较为纯净的铝的同时,在钢基体和铝涂层之间产生了铁铝化合物,达到了冶金结合。
四、重熔前后涂层与基体结合性能变化
从图4-17和图4-18的金相观察结果我们可以看到感应重熔后涂层与基体之间的结合状况已经得到了改善,而且这也从XRD分析中得以印证,即在涂层的一定深度发现了铁铝化合物的存在。为了更进一步的考察涂层和钢基体的结合性能以及受到弯曲变形时涂层的变化情况,我们对重熔前后的试样进行90℃的弯曲变形,然后反向施力,使之恢复原状,如此反复进行,以弯曲中心部位为观察区域,观察重熔前后的试样涂层的变化情况。
在试样没有断裂之前,在重熔前后的试样表面都可以看到明暗不同、长短不一、方向大致一致的条纹,这是由于在单向的拉应力作用下生长出沟槽,沟槽之间构成脊,这些凸起的脊与凹陷的沟槽相互交错而产生条纹。在反复拉应力的作用下,沟和脊伸长,尤其是在弯曲中心部位产生了主导裂纹,裂纹的走向与拉应力方向垂直。
我们还可以在重熔前的试样表面弯曲中心部位看到由于形变过大而导致的涂层成片崩落,直接裸露出了钢基体;而重熔后的试样表面也同样出现了涂层局部区域崩落,但仅仅是涂层表层的小部分脱落,涂层靠近基体的部分还依附在基体之上。至试样断裂,我们可以看到重熔前试样的断口附近已经没有了铝层存在,涂层已经完全剥落,稍微远离断口处的涂层也出现上翘的迹象;而重熔后的试样断口可以观察到铝涂层和钢基体之间的确保持了良好的结合,未发生剥落,只在试样表面局部区域出现了最外层的崩落,这表明重熔后涂层与基体的结合强度大于涂层内部强度。 
 
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