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TA2 表麵電火花（huā）沉積 Zr / WC 複合塗層特（tè）性及界麵行（háng）為（wéi）研究

2017-3-22 來源：河南科技大學作者：吳公一，張占領，孫凱偉，於華，邱（qiū）然鋒（fēng），石（shí）

摘（zhāi）要（yào）: 目的通過在 TA2 表麵進行電火花沉積（jī）改變其表（biǎo）麵性（xìng）能。方（fāng）法采用電火花沉積技術，在（zài）基體TA2 表麵製備 Zr / WC 複合塗層，然後（hòu）分別用掃描電鏡( SEM) 、能譜分析儀( EDX) 、X 射線應力分析儀、顯微硬度計（jì）和摩（mó）擦磨損試驗機分析塗層的微觀組織、化學成分分布、殘餘應力、顯微（wēi）硬度分布以及塗層的耐磨（mó）性。結果複合塗層（céng）連續（xù）、均勻，厚度約為 50 ～ 80 μm; 塗層表麵不平整（zhěng），存在很（hěn）多小坑和（hé）粘連，塗層內部有少量氣孔和裂（liè）紋; 複合塗層與基體的主要元素 Ti、Zr、W 之間發生相互擴散，並發（fā）生冶金反應; 經（jīng）過電火花沉積後 TA2 表麵存（cún）在較大的殘餘應力，通過改變工藝參（cān）數可有效控製殘餘應力; 複合塗層表麵顯微硬度值最高能達到 960． 5HV200g，約為基體的 4 倍（bèi）; 經過電火（huǒ）花沉積 Zr/WC 複合塗層的試樣磨損（sǔn）量遠遠小於 TA2 試樣，εw= 4．1，沉積層的耐磨性比基體材料（liào）提高了3．1倍，經電火（huǒ）花沉積製備複合塗層後表麵的耐磨性顯著提高。結論在 TA2 表麵電火花沉積 Zr/WC 複合塗層可以改善其表麵（miàn）性（xìng）能。

關鍵詞: TA2; Zr; WC; 電火花沉積; 複合塗層; 界麵行為

電火花沉積( ESD) 是（shì）利（lì）用高電流使旋轉的焊材與被焊工件產生動態短路，通過在工件上堆積（jī）產生冶金結合點，對工件（jiàn）表麵進行強（qiáng）化處理的一種表麵（miàn）工程技術。電極材料與工件金屬接（jiē）觸放電產（chǎn）生高（gāo）能量脈衝，電極熔化過渡（dù）到工件表麵微熔的熔池中，從而形成合金化的（de）表麵強化層，改變了工件表麵的耐磨（mó）性、耐蝕性、疲勞強度等，大大提升了工件的壽命［1］。與其它（tā）塗層技術相比，電火花沉（chén）積技術具有獨特的優點，例如沉積工藝過程簡單、基本不變形、沉積（jī）層結合強度高、修複工件的（de）成本低（dī）、熱輸入量低（dī）、設備小（xiǎo）巧便於攜帶、維修方便等［1］，近年來越來越多地應用（yòng）到航空航天、核（hé）工（gōng）業、軍事、醫療機械等各個領域。鈦的比強度高而密度小，機械性、韌性和抗蝕性能好，在（zài）高溫下仍具有較好（hǎo）的力學性能，對人體無任何輻射，因此被廣泛應用於航空航（háng）天工業、核能發電、海（hǎi）洋科學、汽車工業和醫學領域。但是鈦的硬度較低、導熱係數小、不易導熱（rè），很容易與對磨材料發（fā）生粘（zhān）著磨損，導致零件的磨損失效（xiào）［2—3］。為了改善其耐磨性，本文研究 TA2 表麵電火（huǒ）花沉積 Zr/WC 複合塗層的微觀特征及性能。

1.試驗

采用 DZ-4000 Ⅱ型電火（huǒ）花堆焊（hàn）機，輸出電壓為AC 220 V、單相 50 /60 Hz，輸入（rù）功率為 4000 W，放（fàng）電（diàn）頻率為 1400 Hz。電極夾緊（jǐn）在沉積槍上，處於中心位（wèi）置繞電極軸線旋（xuán）轉，電極伸出長度在 20 mm 以內（nèi），電極材料為 Zr、WC 電極。沉積基體 TA2 樣尺寸(長、寬、高) 為（wéi）: 15 mm × 15 mm × 10 mm。先分別用 400#、600#、1000#砂紙打磨試樣，再用（yòng）丙（bǐng）酮和酒精清洗待沉（chén）積（jī）表麵，然後按表 1 中的（de）工藝進行沉積。

表 1 電（diàn）火花沉積工藝

用日（rì）本 JSM-560LV 型掃描電鏡觀察塗層形貌; 用美國 EDX 型能譜分（fèn）析儀分析（xī）複合塗（tú）層元素（sù）; 用日本理學 MSF-3M 新型 X 射線應力分析儀檢測分（fèn）析複合塗層的殘餘應力; 用 HV-1000 型顯微硬度計檢測塗層、過渡層、基（jī）體的顯微硬度，加載（zǎi） 200 g，15 s; 在 MH-600 型摩擦（cā）磨損（sǔn）試（shì）驗機（jī）上（shàng）進行室溫幹摩擦磨（mó）損試（shì）驗，對磨試樣為直徑 6 mm 的 YG8 硬質合（hé）金球，轉速（sù）為1200 r / min，載荷（hé）為 10 N，時間為 30 min，再用精確到0． 1 mg 的 AEL-200 型電子分（fèn）析天平稱量試樣。

2.結果分析

2．1 塗層形貌分析

2．1．1 表麵（miàn）形貌

圖（tú） 1 為塗層的表麵 SEM 形貌。塗層表麵有很多凹坑( A 點) ，是由沉積脈衝產生的強放電力使（shǐ）合金（jīn）化的熔滴（dī）飛濺（jiàn）形成，電火花沉積時產生很大的（de）放電力，使加工表麵產生凹坑輪廓。同時在塗層表麵（miàn）還存在粘連現象( B 點) ，這是由於在火花放電過程中電極（jí）和基（jī）體材料同時熔化，熔化的電（diàn）極材料向基（jī）體（tǐ）過渡，熔化的基體材料也向電極過渡，在電極與基體不斷分離與接觸的過程中兩（liǎng）者熔為一體，隨著放電次數的增加，粘連的形貌遍布塗層（céng）的表（biǎo）麵。強化時間（jiān）較（jiào）短時，熱輸入（rù）量（liàng）低，電極與基體粘連現象不明顯，粘（zhān）連層（céng）比較薄（báo）; 隨著強化時間增加，熱輸入量的增加，粘連現（xiàn）象變得嚴（yán）重，會形成具有一定厚度的粘連層［4—5］。

圖 1 塗層表麵形貌

2．1．2 斷（duàn）麵形貌

圖 2 為塗層（céng）的斷（duàn）麵 SEM 形貌（mào）。塗層厚度約 50 ～80 μm。塗層（céng）與基（jī）體相互熔合，二者（zhě）之間（jiān）存在一個熔滲擴（kuò）散區，有利於提高塗層與基體的結合強度。塗層內有氣孔（kǒng）( A 點) 與裂紋（wén）( B 點) 。產生氣（qì）孔（kǒng）的原因可能是受電極和基體表（biǎo）麵不潔淨和周圍環境的影響，氣孔使（shǐ）強化層變得疏鬆。產生裂紋的原因，一方麵是受電極（jí）材料和基體材料成分以及強化環境的影響，使強化（huà）層中存在夾雜物和氣孔（kǒng），降低了（le）強化層的機械（xiè）強度; 另一（yī）方麵是由於沉積過程中產生的熱應力導致，沉積過程中熔化（huà）的金屬材料遇冷急劇冷卻而凝固（gù），沉積層內存（cún）在著熱應力作用，在無數次放電作用（yòng）下，沉積（jī）層反複受到熱衝擊，最終產生顯微裂紋［6—7］。

圖 2 塗層斷麵（miàn）形貌

2．2 元（yuán）素分析

圖 3 為塗層的元素分布，可以看出，塗層與（yǔ）基體結（jié）合麵處有一個很窄的成分熔滲擴散區，基（jī）體與塗層之間發生了元素的相互擴散，基體中的 Ti 由基體向塗（tú）層擴（kuò）散，塗層中（zhōng）的（de） Zr、W、C 由塗層向基體擴散（sàn）。但由於（yú）沉積過程中高溫時間短，元素（sù）擴散（sàn）不充分。C 和Zr 的含量在（zài）沉積層和（hé）靠近沉積層（céng）的基體中含量（liàng）較均勻，說明（míng） C 和 Zr 容易擴（kuò）散。Ti 元素在基體中含量較多，由基體到塗層 Ti 元素含量呈下降趨勢［8—9］。從基體到塗層，W 元素含量逐漸增加，而在塗層中某些部位 W 元素含量較多，可能是（shì）沉積過程（chéng）中硬質合金WC 隨著電極的旋轉作用直接進入了（le）塗（tú）層內部所致，對於 W 元素（sù）在塗層內部部分區域大量聚集（jí）的原因有待做進一步的研究。塗層與基體之間發生了（le）元素的擴散（sàn），基體 TA2 中的 Ti 元素進入複合塗層內部，電極材料中的（de） Zr、W 元素也進入塗層內（nèi）部（bù），說（shuō）明電火花沉（chén）積是電極與基體（tǐ）材料的相互（hù）熔滲過程［10］。

圖 3 塗層到基體元素分布（bù）

2． 3 試樣殘（cán）餘應力分析

由（yóu）表（biǎo） 2 可知，電火花沉積後的試樣表麵（miàn）有較大的殘（cán）餘應力，這種殘餘應力的產生是一個非常複雜的過程，主要有兩（liǎng）方麵的原因: 一方麵，在電火花沉積過程中，熔（róng）化（huà）的工（gōng）件材料在空氣中遇冷而凝固，工件（jiàn）表麵（miàn）溫度分布不（bú）均勻，存在溫度梯度，形成了熱應力，熱應力的存在使塗層表麵有產生殘餘拉應力的（de）趨勢; 另一方麵，在工件材料急熱、急冷過程中，工件材料的組織發生相變會產生相變應力（lì），這會鬆弛電火花沉積（jī）過程中產生的殘（cán）餘拉應力，並可能（néng）向壓應力產生逆轉［11］。

電火花沉積是一個多次重複的過程，對於某一個加工點來說，它的應力情（qíng）況是（shì）多次放電作用的最終結果，這取決於哪個影響因素占主導地位（wèi）［12］。若熱應力占主導地位，則產（chǎn）生殘（cán）餘（yú）拉應力，若相變應力占主（zhǔ）導地位，則產生殘餘壓應力。而通過改變電火花沉積規範可（kě）以控製殘（cán）餘應（yīng）力的性質，如試樣 1 表現為殘餘拉應力，試樣 2 表現為殘餘壓應（yīng）力。

表 2 塗層殘（cán）餘（yú）應力

2.4 塗層的（de）耐磨性能

圖 4 是同一個塗層斷麵處不同位置的 3 條顯微硬度分布曲線。可以看出，3 條線走勢大致相同，塗層（céng）表麵的顯（xiǎn）微硬度值遠高於基體材（cái）料 TA2，最高處可達（dá） 965HV200 g; 隨著與塗層表麵（miàn）距離的增加，即由塗層到過渡層，顯微硬度值逐漸下降，而基體的顯微硬度約為 220HV200 g; 塗層表麵（miàn）的顯微硬度約是基體的 4 倍。沉積層之所以（yǐ）有這麽高的顯微硬度主要是（shì）由於（yú）經過電火花沉積後表層組織得到了細化，又引入了較高的殘餘壓應力，同時（shí）由於沉積層具（jù）有高硬度的碳化物 W2C 所致［13］。

圖 4 距塗層表麵的顯微硬度分（fèn）布曲線

表 3 磨損失重結果

3.結論

1) 利用電火花沉（chén）積技術，分別以 Zr、WC 棒為電極，在 TA2 基體表麵電（diàn）火花沉積製（zhì）備出了連續、均勻的 Zr/WC 複合塗層，複合塗層厚度約（yuē）為 50 ～ 80 μm，塗層（céng）表（biǎo）麵較平整，存在較多凹（āo）坑（kēng）和粘連，塗層斷麵有少量氣孔和裂紋。

2) Zr / WC 複合塗層與基體間（jiān）各主要（yào）元素（sù）發生（shēng）了相互擴散，塗層中的 Zr、W 主要（yào）向基體擴散，基體中的 Ti 元素向複（fù）合塗層擴散，過渡層中存在 Zr、W 與 Ti的相互擴散，部分區域硬質合金 WC 大量進（jìn）入塗層（céng）內部。

3) 電火花（huā）沉（chén）積（jī）表麵的殘餘應力隨加工工藝的不同，可能產生（shēng）殘餘拉應（yīng）力或殘餘壓應力，改變工藝參（cān）數可控製殘餘應力。4) Zr / WC 複合塗層的表麵顯微硬度值最高達965HV200 g，約為基體的 4 倍，沉積層的（de）相對耐磨（mó）性比基體增加 3．1 倍，基體表麵性能已經發生改變。

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