根據(jù)電弧噴涂的工藝特點以及電弧噴涂層的形成特點我們知道，電弧噴涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯呈波浪形堆疊在一起的層狀組織結構，而且涂層和基體之間的結合以機械結合和物理結合為主，我們看到碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒，由于和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結合，具有清晰的層狀結構，顆粒之間存在一部分孔隙或空洞，并有氧化物和夾雜存在。
我們的目的是通過感應重熔處理，使涂層的結構發(fā)生變化，消除氧化物夾雜和孔隙，使層狀結構變?yōu)榫|結構，并改善涂層和基體的結合狀態(tài)。根據(jù)電磁學知識我們知道，在感應加熱過程中影響涂層感應重熔效果的主要影響因素是感應熱的大小和熱量分布，這與材料的相對磁導率、電阻率、電場頻率、感應電流、感應時間等因素有密切關系。在本實驗中材料的相對磁導率、電阻率、電場頻率屬于不可調(diào)的量，因此我們主要針對感應電流、處理時間的變化情況對涂層感應重熔效果的影響進行探討。
一、電流對重熔過程的影響
我們在實驗中選用電流范圍在180~450 A之間，觀察不同電流條件下涂層的重熔情況。圖4-2分別給出了不同電流下的重熔組織，以對比相同處理時間(20 S)條件下電流對重熔效果的影響，電流分別為：(A)150 A，(B)250 A，(C)350 A，(D)450 A。實驗發(fā)現(xiàn)，當電流超過350 A時，在相同的時間內(nèi)工件溫度升高過快，鋁涂層很快熔化流淌，但是在截取試樣時發(fā)生涂層崩落現(xiàn)象，這表明涂層與基體在形成良好的冶金層之前，外層鋁已經(jīng)熔化流淌；實驗還發(fā)現(xiàn)當感應電流較高時，雖然涂層表面熔融流淌，但是涂層中間部位相對于原始狀態(tài)變化很小，或者根本沒有進行重熔，在涂層內(nèi)部仍有大量氣孔和夾雜存在。
這是因為大電流條件下，過快的熱量積累會導致涂層表面的次高溫區(qū)溫度過高，超過鋁的熔點之后，發(fā)生鋁涂層的熔化流淌，影響了重熔效果；當感應電流電流小于250 A時，熱量積累較慢，鋁層不能很好的熔化，難以向鐵基體擴散，而且較長的處理時間還增大了試樣表面被氧化的幾率。本文經(jīng)過嘗試性實驗后，發(fā)現(xiàn)當感應電流處于250~350 A時，重熔效果相對好一些，因此選定感應電流為300 A。


二、處理時間對重熔過程的影響
實驗采用300 A的感應電流對試樣進行重熔處理。圖4-3反映了同一電流(300 A)，不同處理時間條件下噴涂層的組織變化情況，對比處理時間對重熔的影響，時間分別為：(a)10 s，(b)20 s，(c)30 s，(d)35 s。感應重熔初期，鋁涂層與基體之間界線非常分明，無明顯的擴散過渡層，如圖4-3(a)所示。由于加熱時間較短，涂層大部分仍保持原貌，僅僅是消失了層狀的搭嵌結構，但仍存在一定量的氣孔和渣類夾雜。隨著加熱時間的延長，界面附近以及涂層內(nèi)部開始發(fā)生變化，如圖4-3(b)所示，在界面處有鋁向鐵基體滲入的趨勢，原先在界面處存在較多的渣類有所減少，并向涂層表層方向推進匯集，與基體相鄰的鋁涂層開始呈現(xiàn)單一的致密結構。
圖4-3(c)為處理時間為30 s的涂層組織形貌。我們看到界面處的涂層已經(jīng)與基體較好的結合在了一起，涂層組織在重熔后顯得更為均勻致密，氣孔和渣類繼續(xù)聚集并向外層推出。當感應時間繼續(xù)增加到35 s時，涂層得以重熔的區(qū)域繼續(xù)增大，見圖4-3(d)。一方面在界面處鋁向鐵基體滲透，在光學顯微鏡下可以看到大約為30μm寬的較為明顯的明亮帶，經(jīng)X射線衍射證明為鐵鋁化合物。這表明涂層和基體的結合方式已經(jīng)由主要為機械結合轉變?yōu)橐苯鸾Y合；另一方面，涂層本身也更加致密，在一定的深度范圍內(nèi)已經(jīng)觀察不到氣孔和夾雜的存在，氣孔和渣類由于電磁攪拌作用幾乎全部被推向涂層頂部。
由于感應重熔屬于熱量隨時間積累的過程，因此處理時間也不宜過長。實驗證明，在感應電流為300 A的條件下，處理時間保持在在35 s左右比較合適。否則將發(fā)生“過燒”，使涂層熔融流淌，影響工件尺寸，破壞工件的表面形狀。
三、重熔后涂層的相分析
為了了解涂層在感應重熔前后內(nèi)部組織的具體變化情況，我們對重熔前后電弧噴涂鋁層的相組成進行了對比。圖4-4為重熔前涂層的相組成情況，可以看出，重熔前電弧噴涂鋁層主要由比較單一的鋁組成，并含有少量的氧化物。我們認為電弧噴涂工藝的特點是存在氧化物的原因。由于噴涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯呈波浪形堆疊在一起的層狀組織結構，而且熔滴在霧化階段和向基體噴射的飛行階段過程中不可避免氧化現(xiàn)象，因此顆粒之間就存在一部分氧化物。為分析重熔后試樣從涂層表面到基體的相組成情況，我們除去工件表面的由于加熱而形成的氧化皮，并進行了逐級打磨，圖4-5顯示的是涂層重熔后不同深度的XRD分析，各層與原始表面的距離分別是：(a)80μm，(b)120μm，(c)160μm，(d)200μm。對涂層各個深度的XRD分析表明，重熔后涂層由表及里的相組成依次是：Al→FeAl3→Fe2Al5，表層保持較為純凈的鋁的同時，在鋼基體和鋁涂層之間產(chǎn)生了鐵鋁化合物，達到了冶金結合。
四、重熔前后涂層與基體結合性能變化
從圖4-2和圖4-3的金相觀察結果我們可以看到感應重熔后涂層與基體之間的結合狀況已經(jīng)得到了改善，而且這也從XRD分析中得以印證，即在涂層的一定深度發(fā)現(xiàn)了鐵鋁化合物的存在。為了更進一步的考察涂層和鋼基體的結合性能以及受到彎曲變形時涂層的變化情況，我們對重熔前后的試樣沿著長度方向各進行90℃的彎曲變形，然后反向施力，使之恢復原狀，如此反復進行，以彎曲中心部位為觀察區(qū)域，觀察重熔前后的試樣涂層的變化情況。在試樣沒有斷裂之前，在重熔前后的試樣表面都可以看到明暗不同、長短不一、方向大致一致的條紋，這是由于在單向的拉應力作用下生長出溝槽，溝槽之間構成脊，這些凸起的脊與凹陷的溝槽相互交錯而產(chǎn)生條紋。在反復拉應力的作用下，溝和脊伸長，尤其是在彎曲中心部位產(chǎn)生了主導裂紋，裂紋的走向與拉應力方向垂直。
我們還可以在重熔前的試樣表面彎曲中心部位看到由于形變過大而導致的涂層成片崩落，直接裸露出了鋼基體；而重熔后的試樣表面也同樣出現(xiàn)了涂層局部區(qū)域崩落，但僅僅是涂層表層的小部分脫落，涂層較為靠近基體的部分還依附在基體之上。至試樣斷裂，我們可以看到重熔前試樣的斷口附近已經(jīng)沒有了鋁層存在，涂層已經(jīng)安全剝落，稍微遠離斷口處的涂層也出現(xiàn)上翹的跡象；而從重熔后的試樣斷口可以觀察到鋁涂層和鋼基體之間的確保持了良好的結合，未發(fā)生剝落，只在試樣的表面局部區(qū)域出現(xiàn)了最外層的崩落，這表明重熔后涂層與基體的結合強度大于涂層內(nèi)部強度。（正航儀器整理）http://gimelec.cn