高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能

第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织 及性能 路阳，邓 刚，杨效田四，郭文俊，施晓雨 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050 ☒通信作者，E-mail:398830990@qq.com 摘要为了改善涂层的组织和性能，对超音速等离子喷涂技术制备的高铝青铜涂层进行高频感应重熔处理，研究重熔后涂 层的微观组织结构特征和界面结合状态。感应重熔前涂层具有层流状组织特点，含有少量氧化渣、孔隙及未完全熔融颗粒，涂 层与基体间以机械结合为主，感应重熔能消除未熔颗粒和夹杂，使组织致密、均匀，组织的层流特征弱化，孔隙率有所下降 基体元素和涂层元素相互扩散，在界面形成一条明显的白亮带，呈治金结合状态，结合牢固，涂层的结合性能有所改善.重熔 后扩散带和涂层表面的硬度较高，界面结合强度也由重熔前的25.110提升至83.358MPa. 关键词青铜：涂层：等离子喷涂；感应加热：重熔 分类号TG146.11:TG174.442 Microstructure and properties of high-aluminum bronze coatings after induction remelting prepared by supersonic plasma spraying LU Yang,DENG Gang,YANG Xiao-tian,GUO Wen-jun,SHI Xiao-yu State Key Lab of Gansu Advanced Non-ferrous Materials,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China Corresponding author,E-mail:398830990@qq.com ABSTRACT To improve the microstructure and properties of high-aluminum bronze coatings prepared by supersonic plasma spra- ying,the coatings were remelted with a high-frequency induction system.The microstructure characteristics and interface bonding state of the coatings were studied by metallurgical microscopy,scanning electron microscopy,X-ray diffraction,energy dispersion analysis, porosity measurement,microhardness testing and mechanical strength testing.It is indicated that laminar structure characteristics and a small amount of oxidation slag,pores and incompletely melted particles exist in the coating before remelting.Mechanical combination is the main way to join the matrix and the coating.Incompletely melted particles and laminar structure characteristics are lessened in the coating after remelting.The porosity of the coating after remelting is lower than before remelting.A white metallurgical band forms in the interface because of element diffusion between the matrix and the coating,which would enhance the adhesion.A higher hardness is observed in both the diffusion zone and the surface of the remelting coating,and the interfacial bonding strength increases from 25.110 before remelting to 83.358 MPa after remelting. KEY WORDS bronze:coatings:plasma spraying:induction heating:remelting 近年来，随着先进制造技术和高新材料的发展， 子喷涂技术以其射流温度高、速度快以及可喷涂材 热喷涂技术正朝着提高喷涂射流及粒子速度的方向 料广泛，己逐渐成为未来喷涂技术发展的主力 发展口.相对于传统等离子喷涂技术，超音速等离 军回：但其同时也存在热喷涂技术所共有的一些局 收稿日期：2012-12-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51165021,51365024,51361020)：科技部国际合作交流项目(2009DFR50570,2013DFR50790):甘肃省 有色金属新材料省部共建国家重点实验室开放基金资助项目(SKL1301)：兰州理工大学博士基金资助项目 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.009:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织 及性能 路 阳，邓 刚，杨效田，郭文俊，施晓雨 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050  通信作者，E-mail: 398830990@ qq． com 摘 要 为了改善涂层的组织和性能，对超音速等离子喷涂技术制备的高铝青铜涂层进行高频感应重熔处理，研究重熔后涂 层的微观组织结构特征和界面结合状态． 感应重熔前涂层具有层流状组织特点，含有少量氧化渣、孔隙及未完全熔融颗粒，涂 层与基体间以机械结合为主． 感应重熔能消除未熔颗粒和夹杂，使组织致密、均匀，组织的层流特征弱化，孔隙率有所下降． 基体元素和涂层元素相互扩散，在界面形成一条明显的白亮带，呈冶金结合状态，结合牢固，涂层的结合性能有所改善． 重熔 后扩散带和涂层表面的硬度较高，界面结合强度也由重熔前的 25. 110 提升至 83. 358 MPa． 关键词 青铜; 涂层; 等离子喷涂; 感应加热; 重熔 分类号 TG 146. 1 + 1; TG 174. 442 Microstructure and properties of high-aluminum bronze coatings after induction remelting prepared by supersonic plasma spraying LU Yang，DENG Gang，YANG Xiao-tian ，GUO Wen-jun，SHI Xiao-yu State Key Lab of Gansu Advanced Non-ferrous Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China  Corresponding author，E-mail: 398830990@ qq． com ABSTＲACT To improve the microstructure and properties of high-aluminum bronze coatings prepared by supersonic plasma spra￾ying，the coatings were remelted with a high-frequency induction system． The microstructure characteristics and interface bonding state of the coatings were studied by metallurgical microscopy，scanning electron microscopy，X-ray diffraction，energy dispersion analysis， porosity measurement，microhardness testing and mechanical strength testing． It is indicated that laminar structure characteristics and a small amount of oxidation slag，pores and incompletely melted particles exist in the coating before remelting． Mechanical combination is the main way to join the matrix and the coating． Incompletely melted particles and laminar structure characteristics are lessened in the coating after remelting． The porosity of the coating after remelting is lower than before remelting． A white metallurgical band forms in the interface because of element diffusion between the matrix and the coating，which would enhance the adhesion． A higher hardness is observed in both the diffusion zone and the surface of the remelting coating，and the interfacial bonding strength increases from 25. 110 before remelting to 83. 358 MPa after remelting． KEY WOＲDS bronze; coatings; plasma spraying; induction heating; remelting 收稿日期: 2012--12--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51165021，51365024，51361020) ; 科技部国际合作交流项目( 2009DFＲ50570，2013DFＲ50790) ; 甘肃省 有色金属新材料省部共建国家重点实验室开放基金资助项目( SKL1301) ; 兰州理工大学博士基金资助项目 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 近年来，随着先进制造技术和高新材料的发展， 热喷涂技术正朝着提高喷涂射流及粒子速度的方向 发展［1］． 相对于传统等离子喷涂技术，超音速等离 子喷涂技术以其射流温度高、速度快以及可喷涂材 料广 泛，已逐渐成为未来喷涂技术发展的主力 军［2］; 但其同时也存在热喷涂技术所共有的一些局

·334 北京科技大学学报 第36卷 限和不足之处，如涂层与基体以机械结合为主回， 400目. 结合强度较低（一般不超过50MPa),这严重地限 采用型号为SP-40AB的高频感应加热设备对 制了涂层的应用空间和前景.为了提高基体与涂层 预制的涂层进行感应重熔，选择低功率输出加热方 之间的结合力，采用重熔技术是提高界面结合强度 式，加热频率39.1kHz,加热功率7.4kW,采用Ar气 的有效方法.在实际生产中，激光熔覆技术由于设 保护，气压0.02MPa. 备造价昂贵，一般工业领域难以接受，主要用于航 1.3组织与性能分析 空、航天等一些不计成本的关键性部件的小面积处 采用MEF3A型金相显微镜对试样进行横面、 理上-：氧乙炔喷焊存在对基体热影响大、涂层氧 纵面组织形貌观察；采用灰度法原理利用Image-pro 化烧损严重以及受人为因素影响质量往往不够稳定 pus6.0软件检测涂层重熔前、后的孔隙率变化：用 等问题；感应重熔工艺因为成本不高、热影响区 D/MAX-250OPC型X射线衍射仪对涂层进行物相 不大、结合力强等优点被广泛采用).相对于激光 分析：用JSM-5600LV型扫描电子显微镜及其附属 熔覆、氧乙炔喷焊由外而内的加热方式，感应重熔的 的能谱组件进行线分析和点分析；用HX一10O0TM 特点是利用涂层材料与基体材料物性参数的不同以 型数字显微硬度计测定涂层的显微硬度；采用型号 及感应加热的表面集肤效应，使能量在界面处集中， 为100D的微机控制电子式万能试验机测试涂层与 实现加热从界面开始，自内部向外加热涂层，这样的 基体的结合强度. 加热方式使基体对涂层的稀释率小，且有利于涂层 材料的除渣排气，提高涂层的质量@， 2实验结果及分析 本文采用超音速等离子喷涂技术将自主研发的 非自熔性高铝青铜合金粉末制备成涂层，再采用感 2.1粉体的形貌特点 应重熔工艺对涂层进行后续处理，研究感应重熔技 图1所示为制备的高铝青铜粉体材料的扫描电 术优化非自熔性高铝铜合金粉体涂层的能力. 镜照片.由图可见，粉体整体球形度较好，表面较为 平整，没有凹坑和裂纹存在，能够用于超音速等离子 1实验 喷涂层的制备 1.1粉体制备 以自主研发的高铝青铜合金为基础，采用惰性 气体保护和快速凝固双流高压水雾化技术制备高铝 青铜合金粉体，雾化制粉喷嘴采用自由降落式.主 要参数为：雾化介质为自来水，保护气体为氮气，喷 射项角为33°，漏包嘴直径为6mm,熔体流速300~ 400g·s1,过热温度100~150℃，雾化压力30~ 50MPa.制备的合金粉体主要化学成分如表1 LEI 100V X2000 10 WD1.0mm 所示. 图1高铝青铜合金粉体形貌扫描照片 表1高铝青铜合金粉体的主要成分（质量分数） Fig.1 SEM image of the high aluminum bronze powder Table 1 Composition of the high aluminum bronze % Cu Fe Mn Ni Co 2.2感应重熔前、后涂层的组织结构特点 70-8012≈162.0-4.00.5-2.00.2~0.50.2-0.5 图2为感应重熔前、后涂层表面组织的金相照 片.对比两图可见：感应重熔前高铝青铜涂层具有 1.2涂层制备 典型的热喷涂涂层特点，组织较均匀，且致密，涂层 以中15mm×100mm的45"钢为基体，喷涂前对 中存在弥散分布的氧化物或孔隙以及尺寸较大的未 基体表面除锈及除油，并进行喷砂粗化处理.将待 熔颗粒；感应重熔后消除了涂层组织中较大的未熔 喷基体试样夹持在专用夹具上，驱动试样匀速旋转. 颗粒，组织更加致密、均匀 采用型号为DH-2080的超音速等离子喷涂系统制 图3所示为感应重熔前、后涂层纵断面形貌扫 备涂层，喷涂厚度约为1.0mm.喷涂工艺参数为：喷 描照片.对比分析可见：感应重熔前纵向组织呈现 涂距离125mm,喷涂电压150V,电流315A,送粉电 层流状热喷涂组织特点，局部有未熔和硬质颗粒嵌 压10V,主气为Ar气，次气为H2气，粉体粒度 入其中，涂层与基体之间界面平整、清晰，无治金扩

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 限和不足之处，如涂层与基体以机械结合为主［3］， 结合强度较低( 一般不超过 50 MPa) ［4］，这严重地限 制了涂层的应用空间和前景． 为了提高基体与涂层 之间的结合力，采用重熔技术是提高界面结合强度 的有效方法． 在实际生产中，激光熔覆技术由于设 备造价昂贵，一般工业领域难以接受，主要用于航 空、航天等一些不计成本的关键性部件的小面积处 理上［5--6］; 氧乙炔喷焊存在对基体热影响大、涂层氧 化烧损严重以及受人为因素影响质量往往不够稳定 等问题［7］; 感应重熔工艺因为成本不高、热影响区 不大、结合力强等优点被广泛采用［8--9］． 相对于激光 熔覆、氧乙炔喷焊由外而内的加热方式，感应重熔的 特点是利用涂层材料与基体材料物性参数的不同以 及感应加热的表面集肤效应，使能量在界面处集中， 实现加热从界面开始，自内部向外加热涂层，这样的 加热方式使基体对涂层的稀释率小，且有利于涂层 材料的除渣排气，提高涂层的质量［10］． 本文采用超音速等离子喷涂技术将自主研发的 非自熔性高铝青铜合金粉末制备成涂层，再采用感 应重熔工艺对涂层进行后续处理，研究感应重熔技 术优化非自熔性高铝铜合金粉体涂层的能力． 1 实验 1. 1 粉体制备 以自主研发的高铝青铜合金为基础，采用惰性 气体保护和快速凝固双流高压水雾化技术制备高铝 青铜合金粉体，雾化制粉喷嘴采用自由降落式． 主 要参数为: 雾化介质为自来水，保护气体为氮气，喷 射顶角为 33°，漏包嘴直径为 6 mm，熔体流速 300 ～ 400 g·s － 1，过热温度 100 ～ 150 ℃，雾化压力30 ～ 50 MPa． 制备的合金粉体主要化学成分如表 1 所示． 表 1 高铝青铜合金粉体的主要成分( 质量分数) Table 1 Composition of the high aluminum bronze % Cu Al Fe Mn Ni Co 70 ～ 80 12 ～ 16 2. 0 ～ 4. 0 0. 5 ～ 2. 0 0. 2 ～ 0. 5 0. 2 ～ 0. 5 1. 2 涂层制备 以 15 mm × 100 mm 的 45# 钢为基体，喷涂前对 基体表面除锈及除油，并进行喷砂粗化处理． 将待 喷基体试样夹持在专用夹具上，驱动试样匀速旋转． 采用型号为 DH--2080 的超音速等离子喷涂系统制 备涂层，喷涂厚度约为1. 0 mm． 喷涂工艺参数为: 喷 涂距离 125 mm，喷涂电压 150 V，电流 315 A，送粉电 压 10 V，主 气 为 Ar 气，次 气 为 H2 气，粉 体 粒 度 400 目． 采用型号为 SP--40AB 的高频感应加热设备对 预制的涂层进行感应重熔，选择低功率输出加热方 式，加热频率39. 1 kHz，加热功率7. 4 kW，采用 Ar 气 保护，气压 0. 02 MPa． 1. 3 组织与性能分析 采用 MEF3A 型金相显微镜对试样进行横面、 纵面组织形貌观察; 采用灰度法原理利用 Image--pro plus 6. 0 软件检测涂层重熔前、后的孔隙率变化; 用 D /MAX--2500PC 型 X 射线衍射仪对涂层进行物相 分析; 用 JSM--5600LV 型扫描电子显微镜及其附属 的能谱组件进行线分析和点分析; 用 HX--1000TM 型数字显微硬度计测定涂层的显微硬度; 采用型号 为 100D 的微机控制电子式万能试验机测试涂层与 基体的结合强度． 2 实验结果及分析 2. 1 粉体的形貌特点 图 1 所示为制备的高铝青铜粉体材料的扫描电 镜照片． 由图可见，粉体整体球形度较好，表面较为 平整，没有凹坑和裂纹存在，能够用于超音速等离子 喷涂层的制备． 图 1 高铝青铜合金粉体形貌扫描照片 Fig． 1 SEM image of the high aluminum bronze powder 2. 2 感应重熔前、后涂层的组织结构特点 图 2 为感应重熔前、后涂层表面组织的金相照 片． 对比两图可见: 感应重熔前高铝青铜涂层具有 典型的热喷涂涂层特点，组织较均匀，且致密，涂层 中存在弥散分布的氧化物或孔隙以及尺寸较大的未 熔颗粒; 感应重熔后消除了涂层组织中较大的未熔 颗粒，组织更加致密、均匀． 图 3 所示为感应重熔前、后涂层纵断面形貌扫 描照片． 对比分析可见: 感应重熔前纵向组织呈现 层流状热喷涂组织特点，局部有未熔和硬质颗粒嵌 入其中，涂层与基体之间界面平整、清晰，无冶金扩 · 433 ·

第3期 路阳等：高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能 ·335· 100um 100m 图2感应重熔前(a)、后(b)涂层表面组织金相照片 Fig.2 Metallographic microstructures of the coating surfaces before (a)and after (b)induction remelting (b) 余层 80V 10 ONE LEI 80kV WD 8.0men 图3感应重熔前()、后(b)涂层纵断面形貌扫描照片 Fig.3 SEM images of the vertical sections of the coatings before (a)and after (b)induction remelting 散现象，呈机械结合状态；感应重熔后组织中最明显 值下降至1.652%，说明重熔工艺的应用确实起到 的变化是在界面处出现了一条清晰可见的白亮带， 了“除杂排气”的作用，从而涂层的夹杂和气孔有所 这是涂层与基体元素相互扩散实现治金结合而形成 消除，致密性提高，孔隙率有所下降 的.其原因是涂层与基体材料物性参数相差较大， 2.3感应重熔前、后涂层物相分析 从而感应加热存在的集肤效应使得感应涡流在涂层 对喷涂涂层以及重熔后的涂层进行X射线衍 与基体之间的界面处集中，界面处成为第一高温 射物相分析，如图4所示.结果显示：喷涂层和重熔 区.能量集中致使界面处材料先熔化，高温下涂层 后涂层组织主要相基本一致，都是由αC山固溶体、 中的元素向基体扩散，快速冷却时涂层元素停留在 AICu3、C,AL4、AlFe3等组成，即相组成为a+B+ 基体中形成白亮带网，扩散带的形成将大大地提高 Y2+K30.感应重熔后涂层出现了高度富集状态 涂层与基体的结合力.重熔后涂层组织中层流状分 的Fe,且感应前硬质K相AlFe转变为AlFe.产生 布现象趋于消失，未熔颗粒减少，涂层中原来弥散分 这一现象的原因是感应重熔时涂层与基体之间元素 布的氧化物或孔隙有向涂层表面迁移的迹象.因 相互扩散，F以球状的熔化状态进入涂层，使涂层 此，采用灰度法原理检测重熔前、后涂层的孔隙率变 中Fe含量相对增加，促使AlFe向AlFe,转变.同时 化，结果如表2所示.由表可见，重熔前涂层孔隙率 由于Fe在Cu中的溶解度较小，过量的Fe则富集存 均值约为3.808%，而感应重熔以后涂层孔隙率均 在于涂层之中.感应重熔后涂层组织X射线衍射图 中的主峰比未感应涂层的主峰更窄、更尖锐，这是由 表2两种涂层孔隙率对比 于感应重熔使得涂层的晶粒畸变程度降低，结晶度 Table 2 Porosity contrast of two kinds of coatings 升高 涂层 试样a 试样b 试样c 平均值 2.4重熔前、后涂层元素分布 未重熔 3.121 4.392 3.910 3.808 对涂层纵断面进行能谱线分析，结果如图5所 重熔后 1.217 1.826 1.914 1.652 示.感应重熔前涂层中各元素分布较均匀，元素含

第 3 期 路 阳等: 高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能 图 2 感应重熔前( a) 、后( b) 涂层表面组织金相照片 Fig． 2 Metallographic microstructures of the coating surfaces before ( a) and after ( b) induction remelting 图 3 感应重熔前( a) 、后( b) 涂层纵断面形貌扫描照片 Fig． 3 SEM images of the vertical sections of the coatings before ( a) and after ( b) induction remelting 散现象，呈机械结合状态; 感应重熔后组织中最明显 的变化是在界面处出现了一条清晰可见的白亮带， 这是涂层与基体元素相互扩散实现冶金结合而形成 的． 其原因是涂层与基体材料物性参数相差较大， 从而感应加热存在的集肤效应使得感应涡流在涂层 与基体之间的界面处集中［11］，界面处成为第一高温 区． 能量集中致使界面处材料先熔化，高温下涂层 中的元素向基体扩散，快速冷却时涂层元素停留在 基体中形成白亮带［12］，扩散带的形成将大大地提高 涂层与基体的结合力． 重熔后涂层组织中层流状分 布现象趋于消失，未熔颗粒减少，涂层中原来弥散分 布的氧化物或孔隙有向涂层表面迁移的迹象． 因 此，采用灰度法原理检测重熔前、后涂层的孔隙率变 化，结果如表 2 所示． 由表可见，重熔前涂层孔隙率 均值约为 3. 808% ，而感应重熔以后涂层孔隙率均 表 2 两种涂层孔隙率对比 Table 2 Porosity contrast of two kinds of coatings % 涂层 试样 a 试样 b 试样 c 平均值 未重熔 3. 121 4. 392 3. 910 3. 808 重熔后 1. 217 1. 826 1. 914 1. 652 值下降至 1. 652% ，说明重熔工艺的应用确实起到 了“除杂排气”的作用，从而涂层的夹杂和气孔有所 消除，致密性提高，孔隙率有所下降． 2. 3 感应重熔前、后涂层物相分析 对喷涂涂层以及重熔后的涂层进行 X 射线衍 射物相分析，如图 4 所示． 结果显示: 喷涂层和重熔 后涂层组织主要相基本一致，都是由 α--Cu 固溶体、 AlCu3、Cu9 Al4、AlFe3 等组成，即相 组 成 为 α + β + γ2 + K［13--14］． 感应重熔后涂层出现了高度富集状态 的 Fe，且感应前硬质 K 相 AlFe 转变为 AlFe3 ． 产生 这一现象的原因是感应重熔时涂层与基体之间元素 相互扩散，Fe 以球状的熔化状态进入涂层，使涂层 中 Fe 含量相对增加，促使 AlFe 向 AlFe3转变． 同时 由于 Fe 在 Cu 中的溶解度较小，过量的 Fe 则富集存 在于涂层之中． 感应重熔后涂层组织 X 射线衍射图 中的主峰比未感应涂层的主峰更窄、更尖锐，这是由 于感应重熔使得涂层的晶粒畸变程度降低，结晶度 升高． 2. 4 重熔前、后涂层元素分布 对涂层纵断面进行能谱线分析，结果如图 5 所 示． 感应重熔前涂层中各元素分布较均匀，元素含 · 533 ·

·336 北京科技大学学报 第36卷 1600[0 1400 a-Cu.Al 4000 a-Cu Al b-AlCu 1200 bACL e一AFe e-AlFe 3000 1000 d-AlFe d-a-Cu e一Fe 2000 600 400 1000 200 40 60 80100 0 20 4060 80100 20W( 20re) 图4感应重熔前()、后(b)涂层的X射线衍射分析 Fig.4 XRD patterns of the coatings before (a)and after (b)induction remelting haMwHnLw-LnWwALruwMn Fe Co klawipamwm.wn Mn情nw,个格s州 MA wwn人N/ Ltwwwiiniumm 图5感应重熔前(a)、后(b)涂层断面元素线分析 Fig.5 Cross-sectional line analysis of the coatings before (a)and after (b)induction remelting 量曲线在界面位置处有明显“跳跃”现象，证明基体 与涂层之间无显著的治金扩散反应，呈机械结合状 态；重熔后界面位置处各元素含量曲线均出现“缓 坡”现象，这正是元素相互扩散的典型特征.结合图 6所示位置a和b的能谱点分析结果可知：与其他 合金元素的扩散方式不同，Fe元素以球状熔融液滴 的形式迁移进入铝青铜涂层内部，这是因为重熔时 界面处存在着较大的扰动，而Fe与Cu的互溶度很 小，故基体F以液滴状方式进入涂层，并与周用原 子发生扩散现象的；点c位置为由铝青铜涂层向基 图6感应重熔后涂层断面点分析 体方向扩散而形成的，与基体结合紧密：涂层中的少 Fig.6 Cross-sectional point analysis of the coatings after induction 量氧化渣出现聚集现象，如点d位置所示；点e位置 remelting 为构成涂层的主要白色相，以B相为主。图示各点 位置的能谱点分析结果如表3

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 4 感应重熔前( a) 、后( b) 涂层的 X 射线衍射分析 Fig． 4 XＲD patterns of the coatings before ( a) and after ( b) induction remelting 图 5 感应重熔前( a) 、后( b) 涂层断面元素线分析 Fig． 5 Cross-sectional line analysis of the coatings before ( a) and after ( b) induction remelting 量曲线在界面位置处有明显“跳跃”现象，证明基体 与涂层之间无显著的冶金扩散反应，呈机械结合状 态; 重熔后界面位置处各元素含量曲线均出现“缓 坡”现象，这正是元素相互扩散的典型特征． 结合图 6 所示位置 a 和 b 的能谱点分析结果可知: 与其他 合金元素的扩散方式不同，Fe 元素以球状熔融液滴 的形式迁移进入铝青铜涂层内部，这是因为重熔时 界面处存在着较大的扰动，而 Fe 与 Cu 的互溶度很 小，故基体 Fe 以液滴状方式进入涂层，并与周围原 子发生扩散现象［15］; 点 c 位置为由铝青铜涂层向基 体方向扩散而形成的，与基体结合紧密; 涂层中的少 量氧化渣出现聚集现象，如点 d 位置所示; 点 e 位置 为构成涂层的主要白色相，以 β'相为主． 图示各点 图 6 感应重熔后涂层断面点分析 Fig． 6 Cross-sectional point analysis of the coatings after induction remelting 位置的能谱点分析结果如表 3． · 633 ·

第3期 路阳等：高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能 ·337· 表3能谱点分析结果（质量分数） 体硬度的上升是重熔过程中少量合金元素的扩散 Table3 Data of point analysis by EDS 导致晶格畸变的结果，而感应集肤效应和物性参 位置Cu Al Fe Ni Mn Co 0 数差异使得涂层表面和界面成为加热的两个高温 a 14.648.9468.392.940.582.092.43 区，最先熔化、结晶，而后热传导使涂层中部材料 b 6.687.20 75.263.480.70 3.313.37 接着熔化、结晶。这样不仅使涂层材料与基体实现 79.459.636.742.490.270.421.01 治金结合，得到致密、硬度高的过渡区域，还能在 d13.2232.22 9.100.86 一 44.60 基体表面形成一层晶粒细小、硬度高、耐磨和高耐 e 79.9510.45 4.582.910.410.541.16 蚀的涂层16-刀 2.5涂层硬度分布 450 400 沿着从基体到涂层表面的方向测量显微硬 重熔后 350 度，即正方向为涂层，负方向为基体，每隔压痕对 重熔 300 角线长度3倍的距离测量一次.硬度数据分布如 250 图7所示.由图可知，整体上两种涂层的硬度都较 200 基体硬度高出许多，感应重熔前、后涂层硬度平均 150 值分别为Hv319.2和Hv331.3,即两种工艺方法 100 200 02004006008001000 都能在钢工件表面获得所需的较高的硬度性能， 到涂层与基体界面的距离如m 符合表面工程技术的最终目的.对比两条曲线可 图7感应重熔前、后涂层硬度对比 知：重熔前界面附近涂层的组织硬度较低，后续涂 Fig.7 Hardness contrast of the coatings before and after the induc- 层硬度上升，且在一定范围内波动，这是由于重熔 tion remelting 前界面处存在少量氧化物而致使涂层致密性下 2.6界面结合强度测试 降，从而导致硬度较低：重熔后基体硬度略有上 采用微机控制电子式万能试验机测试重熔前、 升，其均值由感应前的Hv139.0上升到Hv152.8, 后两种涂层与基体的结合强度，试验机压头以 涂层硬度在界面附近的扩散带和涂层表面均较 1 mm*min-1的加载速度匀速加载，记录下载荷与变 高，涂层中间部分硬度波动较感应前有所缓和.基 形的关系曲线如图8所示 20 16 三12 8 00.20.40.60.8101214 000应040608102416182022 变形m 变形mm 图8感应重熔前(a)、后()涂层与基体结合强度 Fig.8 Bonding strength between the matrix and the coatings before (a)and after (b)induction remelting 对比两图可知，重熔前、后两种涂层与基体之间 19.2761kN.重熔前涂层与基体的结合强度约为 的结合力测试曲线变化趋势一致，即载荷先是随着 25.110MPa,重熔以后结合强度提升至了 加载行程的不断增大而增大，当达到某一临界最大 83.358MPa,增幅达到了230%，说明感应重熔工艺 值时，载荷由于涂层与基体发生剥离而突然下降，随 的应用使得涂层与基体之间的界面结合状态得到了 后加载行程继续增大而载荷则保持在较低的值呈现 有效的改善，结合机制发生了根本的转变，最终界面 水平稳定状态.重熔前发生剥离现象时的最大载荷 结合强度大幅提高，涂层的使用寿命将明显延长，应 值为7.4209kN,而重熔以后此最大载荷值增长至 用范围也将得到有效的拓展

第 3 期 路 阳等: 高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能 表 3 能谱点分析结果( 质量分数) Table 3 Data of point analysis by EDS % 位置 Cu Al Fe Ni Mn Co O a 14. 64 8. 94 68. 39 2. 94 0. 58 2. 09 2. 43 b 6. 68 7. 20 75. 26 3. 48 0. 70 3. 31 3. 37 c 79. 45 9. 63 6. 74 2. 49 0. 27 0. 42 1. 01 d 13. 22 32. 22 9. 10 0. 86 — — 44. 60 e 79. 95 10. 45 4. 58 2. 91 0. 41 0. 54 1. 16 2. 5 涂层硬度分布 沿着从基体到涂层表面的方向测量显微硬 度，即正方向为涂层，负方向为基体，每隔压痕对 角线长度 3 倍的距离测量一次． 硬度数据分布如 图 7 所示． 由图可知，整体上两种涂层的硬度都较 基体硬度高出许多，感应重熔前、后涂层硬度平均 值分别为 Hv 319. 2 和 Hv 331. 3，即两种工艺方法 都能在钢工件表面获得所需的较高的硬度性能， 符合表面工程技术的最终目的． 对比两条曲线可 知: 重熔前界面附近涂层的组织硬度较低，后续涂 层硬度上升，且在一定范围内波动，这是由于重熔 前界面处存在少量氧化物而致使涂层致密性下 降，从而导致硬度较低; 重熔后基体硬度略有上 升，其均值由感应前的Hv 139. 0上升到 Hv 152. 8， 涂层硬度在界面附近的扩散带和涂层表面均较 高，涂层中间部分硬度波动较感应前有所缓和． 基 体硬度的上升是重熔过程中少量合金元素的扩散 导致晶格畸变的结果，而感应集肤效应和物性参 数差异使得涂层表面和界面成为加热的两个高温 区，最先熔化、结晶，而后热传导使涂层中部材料 接着熔化、结晶． 这样不仅使涂层材料与基体实现 冶金结合，得到致密、硬度高的过渡区域，还能在 基体表面形成一层晶粒细小、硬度高、耐磨和高耐 蚀的涂层［16--17］． 图 7 感应重熔前、后涂层硬度对比 Fig． 7 Hardness contrast of the coatings before and after the induc￾tion remelting 2. 6 界面结合强度测试 采用微机控制电子式万能试验机测试重熔前、 后两种涂层与基体的结合强度，试 验 机 压 头 以 1 mm·min － 1的加载速度匀速加载，记录下载荷与变 形的关系曲线如图 8 所示． 图 8 感应重熔前( a) 、后( b) 涂层与基体结合强度 Fig． 8 Bonding strength between the matrix and the coatings before ( a) and after ( b) induction remelting 对比两图可知，重熔前、后两种涂层与基体之间 的结合力测试曲线变化趋势一致，即载荷先是随着 加载行程的不断增大而增大，当达到某一临界最大 值时，载荷由于涂层与基体发生剥离而突然下降，随 后加载行程继续增大而载荷则保持在较低的值呈现 水平稳定状态． 重熔前发生剥离现象时的最大载荷 值为 7. 4209 kN，而重熔以后此最大载荷值增长至 19. 2761 kN． 重熔前涂层与基体的结合强度约为 25. 110 MPa，重熔以后结合强度提升至了 83. 358 MPa，增幅达到了 230% ，说明感应重熔工艺 的应用使得涂层与基体之间的界面结合状态得到了 有效的改善，结合机制发生了根本的转变，最终界面 结合强度大幅提高，涂层的使用寿命将明显延长，应 用范围也将得到有效的拓展． · 733 ·

·338 北京科技大学学报 第36卷 (下).中国表面工程，1999(4)：11) 3结论 Zhang ZZ,Han G Q,Fu Y W,et al.A study on properties of (1)感应重熔前涂层具有热喷涂涂层的典型层 GNi-WC25 coating by high frequeney induction cladding,laser cladding and oxygen-ucetylene spraying-fusing.Mater Eng, 流状组织特点，组织较均匀致密，含有少量氧化渣、 2003(2):3 孔隙及未完全熔融颗粒，重熔后消除了较大的未熔 (张增志，韩桂泉，付跃文，等.高频感应熔涂、激光熔覆与氧 颗粒，层流状组织特点不再显著，组织更加致密、均 乙炔喷焊GN-WC25涂层的性能研究.材料工程，2003(2)： 匀，涂层的孔隙率有所下降. 3) (2)重熔前涂层与基体界面轮廓清晰，是以机 ⑧] Matsubara Y,Tomiguchi A.Post treatment of plasma sprayed WC- 械结合为主的结合机制，重熔后基体和涂层材料相 CO-Ni coating by high frequeney induction heating/Proceedings of17SC95.Kabe,1995:1415 互扩散使得在界面处产生了一条明显的白亮带，呈 9]Huang Y J,Zeng X Y.Study on modes of energy action in laser- 治金结合状态，结合牢固，可见感应重熔改善了涂层 induction hybrid eladding.Appl Suf Sci,2009,256(3):749 的结合性能. [10]Yang X T,Wang Z P,Lu Y,et al.Characteristics of high-alu- (3)感应重熔后界面处扩散带和涂层表面的硬 minium copper alloy coating made by supersonic plasma spraying and induction-efusion composite technology.Harbin Eng Unin, 度较高，界面结合强度由重熔前的25.110MPa提升 2012,33(7):906 至重熔后的83.358MPa,这都将有利于拓宽涂层的 (杨效田，王智平，路阳，等.超音速等离子一感应复合技术 应用范围 制备高铝铜合金涂层特性.哈尔滨工程大学学报，2012,33 (7):906) 参考文献 [11]Ma B J,Zhao C.Hou J Y.Ni-Cr alloy cladding on the steel 45 [1]Xu B S,Wang H J,Zhu S,et al.Research,development and ap- by vacuum and induction melting.Heat Treat Met,2006,31 plication of high-efficiency ultrasonic Plazlet coating technique. (7):21 Manuf Technol Mach Tool,2003(2):30 (马伯江，赵程，侯俊英.45钢表面真空炉中和高颍感应熔 (徐滨士，王海军，朱胜，等.高效能超音速等离子喷涂技术 覆Ni-Cr合金的研究.金属热处理，2006,31(7)：21) 的研究与开发应用.制造技术与机床，2003(2)：30) 12] Han G Q,Zhang ZZ,Fu Y W.Study on microstructures and Lu H,Wang H J,Guo Y M,et al.The influence of supersonic properties of NiCrBSi alloy coating produced by high frequency plasma spray parameters on flying particles velocity and tempera- induction cladding.Lubr Eng,2006(6):95 ture.China Surf Eng,2008,21 (1):19 (韩桂泉，张增志，付跃文.高频感应熔涂NiCrBSi合金涂层 (陆欢，王海军，郭永明，等。超音速等离子喷涂参数对粒子 的组织与性能研究.润滑与密封，2006(6)：95) 速度温度的影响.中国表面工程，2008,21(1)：19) 3] Li W S,Wang Z P,Lu Y,et al.Mechanical and tribological B3]Yang H,Pan S M.Bonding mechanism of WC-2Co coatings pre- properties of a novel aluminum bronze material for drawing dies pared by supersonic plasma spraying on 45 steel.Trans Mater Heat Wer,2006,261(2):155 Treat,2009,30(3):187 [14]Lu Y,Li W S,Wang Z P,et al.New developed aluminum (杨晖，潘少明.超音速等离子喷涂WC-12C0涂层的结合机 bronze alloy for die.Hot Work Technol,2002(3):45 理研究.材料热处理学报，2009,30(3)：187) (路阳，李文生，王智平，等.新型模具铝青铜合金材料的研 4]Li QS,Zhu YC.Metal Suface Thermal Spraying Technology. 制.热加工工艺，2002(3)：45) Beijing:Chemical Industry Press,2009 [15]Yang X C,Zhong M L.Zheng T X,et al.Laser cladding of cop- (黎樵燊，朱又春.金属表面热喷涂技术.北京：化学工业出 per alloy.China Laser,1994,21(2):152 版社，2009) (杨洗陈，钟敏霖，郑天禧，等.铜合金的激光熔敷.中国激 [5]Zhang D W,Lei T Q,Li Q.Recent development of research on 光，1994,21(2)：152) surface modification of metals with laser cladding (I )China [16]Pantleon K,Kessler 0,Hoffann F,et al.Induction surface Surf Eng,1999(3):1 hardening of hard coated steels.Surf Coat Technol,1999,120- (张大伟，雷延权，李强。激光熔覆金属表面改性研究进展 121:495 (上).中国表面工程，1999(3)：1) [17]Han GQ,Zhou P,Hu X L,et al.Study on nickel-matrix alloy 6]Zhang D W,Lei T Q,Li Q.Recent development of research on coating fabricated by rapid induction heating.Lubr Eng,2006 surface modification of metals with laser cladding II).China (1):75 Surf Eng,1999(4):11 (韩桂泉，周品，胡喜兰，等.感应熔覆镍基合金粉末涂层研 (张大伟，雷廷权，李强.激光熔覆金属表面改性研究进展 究.润滑与密封，2006(1)：75)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 3 结论 ( 1) 感应重熔前涂层具有热喷涂涂层的典型层 流状组织特点，组织较均匀致密，含有少量氧化渣、 孔隙及未完全熔融颗粒，重熔后消除了较大的未熔 颗粒，层流状组织特点不再显著，组织更加致密、均 匀，涂层的孔隙率有所下降． ( 2) 重熔前涂层与基体界面轮廓清晰，是以机 械结合为主的结合机制，重熔后基体和涂层材料相 互扩散使得在界面处产生了一条明显的白亮带，呈 冶金结合状态，结合牢固，可见感应重熔改善了涂层 的结合性能． ( 3) 感应重熔后界面处扩散带和涂层表面的硬 度较高，界面结合强度由重熔前的 25. 110 MPa 提升 至重熔后的 83. 358 MPa，这都将有利于拓宽涂层的 应用范围． 参 考 文 献 ［1］ Xu B S，Wang H J，Zhu S，et al． Ｒesearch，development and ap￾plication of high-efficiency ultrasonic PlazJet coating technique． Manuf Technol Mach Tool，2003( 2) : 30 ( 徐滨士，王海军，朱胜，等． 高效能超音速等离子喷涂技术 的研究与开发应用． 制造技术与机床，2003( 2) : 30) ［2］ Lu H，Wang H J，Guo Y M，et al． The influence of supersonic plasma spray parameters on flying particles velocity and tempera￾ture． China Surf Eng，2008，21( 1) : 19 ( 陆欢，王海军，郭永明，等． 超音速等离子喷涂参数对粒子 速度温度的影响． 中国表面工程，2008，21( 1) : 19) ［3］ Yang H，Pan S M． Bonding mechanism of WC-12Co coatings pre￾pared by supersonic plasma spraying on 45 steel． Trans Mater Heat Treat，2009，30( 3) : 187 ( 杨晖，潘少明． 超音速等离子喷涂 WC--12Co 涂层的结合机 理研究． 材料热处理学报，2009，30( 3) : 187) ［4］ Li Q S，Zhu Y C． Metal Surface Thermal Spraying Technology． Beijing: Chemical Industry Press，2009 ( 黎樵燊，朱又春． 金属表面热喷涂技术． 北京: 化学工业出 版社，2009) ［5］ Zhang D W，Lei T Q，Li Q． Ｒecent development of research on surface modification of metals with laser cladding ( Ⅰ) ． China Surf Eng，1999( 3) : 1 ( 张大伟，雷廷权，李强． 激光熔覆金属表面改性研究进展 ( 上) ． 中国表面工程，1999( 3) : 1) ［6］ Zhang D W，Lei T Q，Li Q． Ｒecent development of research on surface modification of metals with laser cladding ( Ⅱ) ． China Surf Eng，1999( 4) : 11 ( 张大伟，雷廷权，李强． 激光熔覆金属表面改性研究进展 ( 下) ． 中国表面工程，1999( 4) : 11) ［7］ Zhang Z Z，Han G Q，Fu Y W，et al． A study on properties of GNi-WC25 coating by high frequency induction cladding，laser cladding and oxygen-acetylene spraying-fusing． J Mater Eng， 2003( 2) : 3 ( 张增志，韩桂泉，付跃文，等． 高频感应熔涂、激光熔覆与氧 乙炔喷焊 GNi--WC25 涂层的性能研究． 材料工程，2003( 2) : 3) ［8］ Matsubara Y，Tomiguchi A． Post treatment of plasma sprayed WC￾CO-Ni coating by high frequency induction heating / / Proceedings of ITSC'95． Kobe，1995: 1415 ［9］ Huang Y J，Zeng X Y． Study on modes of energy action in laser￾induction hybrid cladding． Appl Surf Sci，2009，256( 3) : 749 ［10］ Yang X T，Wang Z P，Lu Y，et al． Characteristics of high-alu￾minium copper alloy coating made by supersonic plasma spraying and induction-refusion composite technology． J Harbin Eng Univ， 2012，33( 7) : 906 ( 杨效田，王智平，路阳，等． 超音速等离子--感应复合技术 制备高铝铜合金涂层特性． 哈尔滨工程大学学报，2012，33 ( 7) : 906) ［11］ Ma B J，Zhao C，Hou J Y． Ni-Cr alloy cladding on the steel 45 by vacuum and induction melting． Heat Treat Met，2006，31 ( 7) : 21 ( 马伯江，赵程，侯俊英． 45 钢表面真空炉中和高频感应熔 覆 Ni--Cr 合金的研究． 金属热处理，2006，31( 7) : 21) ［12］ Han G Q，Zhang Z Z，Fu Y W． Study on microstructures and properties of NiCrBSi alloy coating produced by high frequency induction cladding． Lubr Eng，2006( 6) : 95 ( 韩桂泉，张增志，付跃文． 高频感应熔涂 NiCrBSi 合金涂层 的组织与性能研究． 润滑与密封，2006( 6) : 95) ［13］ Li W S，Wang Z P，Lu Y，et al． Mechanical and tribological properties of a novel aluminum bronze material for drawing dies． Wear，2006，261( 2) : 155 ［14］ Lu Y，Li W S，Wang Z P，et al． New developed aluminum bronze alloy for die． Hot Work Technol，2002( 3) : 45 ( 路阳，李文生，王智平，等． 新型模具铝青铜合金材料的研 制． 热加工工艺，2002( 3) : 45) ［15］ Yang X C，Zhong M L，Zheng T X，et al． Laser cladding of cop￾per alloy． China Laser，1994，21( 2) : 152 ( 杨洗陈，钟敏霖，郑天禧，等． 铜合金的激光熔敷． 中国激 光，1994，21( 2) : 152) ［16］ Pantleon K，Kessler O，Hoffann F，et al． Induction surface hardening of hard coated steels． Surf Coat Technol，1999，120-- 121: 495 ［17］ Han G Q，Zhou P，Hu X L，et al． Study on nickel-matrix alloy coating fabricated by rapid induction heating． Lubr Eng，2006 ( 1) : 75 ( 韩桂泉，周品，胡喜兰，等． 感应熔覆镍基合金粉末涂层研 究． 润滑与密封，2006( 1) : 75) · 833 ·