大气等离子喷涂质量控制研究

文/ 孙延安

在技术快速发展和竞争激烈的时代，效率和成本节约成为了关键。为了提高零件耐久性和易磨损部件的性能，专业人员不断努力地寻求改进方案，如各种涂层材料和涂层技术研究，其中就包括了热喷涂技术。20世纪初，瑞士发明家Schoop博士发明了通过熔融金属形成的金属粒子流来产生涂层的技术。热喷涂工艺设备在第二次世界大战后开始发展，特别是在1960年—1990年间，热喷涂工艺开始广泛应用于各个行业，并成为了工业上改善表面的新技术。

根据国家标准《热喷涂 术语、分类》（GB/T 18719–2002），按加热喷涂材料的热源分类，热喷涂分为火焰类（包括火焰喷涂、爆炸喷涂和超声速喷涂）、电弧类（包括电弧喷涂和等离子喷涂）、电热法（包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂）和激光类喷涂。其中，等离子喷涂又包括大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。大气等离子喷涂是其中用途最广的一类，主要应用于制备金属、合金、陶瓷、碳化物和氮化物等复合材料涂层。等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后快速发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法。

随着各种高性能涂层材料的发明，等离子喷涂因其涂层耐磨、耐腐蚀和隔热等特点被广泛应用于工业产品、零部件和设备维修等方面。如在航空发动机零部件大修中，等离子喷涂可作为表面保护或零件装配面的修复，适宜的涂层可以恢复和增强零部件功能，并延长其使用寿命。虽然，喷涂设备和涂料已具备，但要确保喷涂品质，还需要根据产品的特点和要求，对工艺进行严格规范。为此，本文依据相关标准对影响喷涂质量的关键因素和日常容易忽视的操作环节展开探究。

大气等离子喷涂的原理为：在铜阳极和钨阴极之间通过高频火花点燃电弧，流经电极之间的气体（即He、H2、N2或混合物）在高温环境中发生电离，从而形成几厘米长的大气等离子体。等离子弧中的温度可高达2 000 ℃～ 20 000 ℃；
喷涂材料在喷枪喷嘴口处以粉末形式喷射到等离子体中，熔化并被气体抛到基体表面上（见图1）。

图1 大气等离子喷涂示意图

在金相检验中，大气等离子喷涂涂层的固有缺陷（如孔隙率、未熔或部分熔颗粒和裂纹等）都会对涂层的物理和化学性能产生不利影响。

如前所述，大气等离子喷涂是一种特殊的工艺，传统检验方法是使用破坏性测试来评估涂层质量。这涉及切割横截面试样、抛光所述样品并检查所得显微图像。图2显示了一个标准的镍铝合金涂层在200倍电子显微镜下的微观图和涂层结构示意图。

图2 镍铝合金涂层微观图和涂层结构示意图

金相检验主要是采用光学显微镜对试样涂层的结构、物相、气孔、夹杂和晶界等进行分析和检验，作定性或定量的评定，以研究和判断工艺、涂层结构和性能之间的关系。金相分析被广泛用于评估涂层质量，但在准备检查试片的截面和解释涂层结果时，必须谨慎，以免产生误导性结论。金相层状结构多为长方形层状，这样的检查可以显示裂纹、夹杂物和未熔颗粒等缺陷，指出孔隙率并突出界面处的特征。依据《定量金相测定方法》（GB/T 15749–2008），从这种类型的图像分析中，金相检验员可以识别的关键特征包括孔隙度、球状物（未熔颗粒）、氧化物、裂纹、污染、涂层剥离和分层。

金相检验员将涂层试片的电子显微图片与行业金相标准图片进行比较，以确定特征量（如孔隙百分比）是否满足标准要求。其他热喷涂质量测试还包括硬度和黏结强度。前者通常用压痕试验方法来完成，后者通常用拉伸附着力试验方法来完成。

1. 孔隙

孔隙是涂层内的孔，以黑块或黑点的形式出现在涂层内。孔隙率可以通过金相法测定涂层孔隙在显微镜局部区域所占的比例来测算。金相法中常用的有栅格法和截面定向截取法。虽然，多孔结构能更好地吸收和保持润滑，但过多的孔隙会导致不良的氧化和结构完整性的丧失。例如，在某系列发动机部件修理中，按照形成机制和大小，孔隙分两类：第一类孔隙大小为0 μm～10 μm，第二类孔隙大小为10 μm～25 μm。第一类孔隙是由颗粒与气态介质之间的相互作用产生的，而第二类孔隙是通过与沉积材料碰撞时飞溅或部分熔融颗粒变形产生的空隙而形成的。涂层中的孔隙必须满足尺寸和含量两个标准。比如，在航空发动机维修中常用的抗氧化和耐腐蚀性涂层——镍铬铁合金Inconel 718，要求其孔隙大小不得＞20 μm，孔隙率不得超过10%。

在冶金工程中，孔隙是因快速凝固造成的涂层材料破裂、冷却时的涂层材料收缩和呈现出来的未熔颗粒等所导致的，涂层内的孔隙率水平会受到各种因素的影响。等离子枪电极腐蚀会降低沉积效率，从而导致涂层孔隙率显著增加。在喷涂过程中，维修人员通过对基材进行气体冷却来控制基材与颗粒的温度差，以降低飞溅淬火应力，这样可以明显减少孔隙的形成，同时能够提高涂层的整体机械强度。

2. 未熔颗粒

未熔颗粒是指未充分熔化的涂层粉末颗粒，它们在撞击后仍保持其形状，并且不会在撞击时产生飞溅。这些颗粒通常具有圆形或球状外观（比例为3 : 2），与周围涂层基质的黏附率不超过25%，并且在任何方向上大小都＞50 μm。

喷涂材料的熔化不足，一般有多种原因，如温度不足、喷射角度差（即粉末没有放置在火焰流中的最佳位置）；
喷涂材料在进入喷枪之前也可能在喷枪内积聚，导致未充分熔化的颗粒被喷涂到基材上。经试验，对于大气等离子喷涂，维修人员可以通过降低送粉率、增加氢气气流量和增加电流3种方式来减少未熔颗粒的大小和 含量。

3. 氧化物和氧化物簇不足

氧化物在本文是指被氧化的涂层成分。氧化物簇在本文是指紧密浓度的氧化物，可以通过金相显微镜观察测得。某航空发动机维修企业标准要求氧化物的涂层必须＞75 μm才能达到氧化物簇额定值。氧化物呈灰色，可以是孤立的、簇生的，也可以是刺状的。氧化对喷涂涂层的组成和产生的性能有显著影响。定量的涂层氧化可用于保护基材免受氧化，但无论喷涂哪种材料，控制氧化量都很重要。

在日常的排除故障的工作中，笔者发现，氧化通常发生在涂层喷射中和撞击后，而喷射过程中的氧化是其主要来源。涂层火焰焰流中的氧化也因喷射距离而异。例如，对于较短的距离，对流氧化占主导地位，而扩散氧化则在较长的喷涂距离中占主导地位。

经实验发现，惰性气体保护罩的使用可以减少空气湍流，从而提高焰流中颗粒的熔化效率，降低外界空气对粒子的氧化。

4. 涂层裂纹

局部应力集中会导致涂层形成裂纹。随着涂层的冷却和收缩，应力会自然产生。涂层原材料的特性、涂层和基材之间的温差会加剧这种情况的发生。当需要对零件的外径表面进行喷涂时，如果基体材料未被加热，则热涂层在收缩时会产生应力；
如果涂层材料本身就很脆，那么产生裂纹的可能性会更高；
零件不规则的几何形状也可以促进裂纹的形成；
颗粒在与集体材料接触时没有充分结合，也会形成平行于基材的裂纹。

涂层裂纹可以在200倍金相电子显微镜下观察测得。在评估裂纹时，最重要的是区分由机械损伤引起的裂纹和结构固有的裂纹。垂直于母材的裂纹有时可能是由基材的弯曲或热应力引起的。涂层横向裂纹在某航空发动机维修企业相关标准中是不可接受的。为此，在试验中，笔者发现，在喷涂前对零件表面进行吹砂，并对零件进行预热，可以降低涂层裂纹产生的可能性。

5. 界面污染

界面污染是在基底金属和涂层之间嵌入外来颗粒或污染物。这种污染的形式可能是金属氧化物、砂砾或从先前的涂层剥离操作中残留下来的残留涂层。研究发现，污染通常与喷涂材料中的杂质有关，或由表面处理不当引起的。线材原料的污染机会较低，因为线材表面积较小，但清洁待喷涂表面和在零件运输过程中保持清洁的表面对于控制污染至关重要。另外，笔者还发现，与喷砂相关的污染与喷砂压力和时间成正比关系，与砂砾粒度呈反比关系。在对零件待喷涂表面进行吹砂处理后，必须要用符合《气动元件及系统用空气介质质量等级》（JB/T 5967–2017）要求的质量等级≤2的压缩空气清洁表面，以去除表面嵌入物，从而减少界面污染。

6. 涂层剥离

涂层剥离可能是由于涂层的黏附层从基材上剪切下来造成的损坏，或者涂层从一开始就没有被充分黏附。后一种可能是由表面污染或外来碎屑（如未喷涂区域错位的保护）或热应力直接引起的。另外，拉伸应力导致涂层剥离的可能性随着涂层厚度的增加而增加。涂层剥离可以在 200倍金相电子显微镜下观察测得，界面分离是不可接受的。

7. 分层

有企业标准规定，当＞254 μm的涂层脱离才能被评定为分层。在评估分层时，最重要的是区分由机械损坏引起的分层和结构固有的分层。沿着或平行于基底金属界面的分层通常是机械损坏的结果。涂层分层同样是在 200 倍金相电子显微镜下观察测得，涂层必须无分层或者分层＜254 μm。

8. 涂层界面结合强度（RH）过小

热喷涂涂层的附着力通常是一个需要确定的重要特性，特别是当涂层未与基材熔合时。涂层附着力很大程度上取决于涂层前的表面处理，最常用的测试方法是依据国家标准《热喷涂 抗拉结合强度的测定》（GB/T 8642–2002），从基材上分离涂层所需的拉伸载荷。该测试通常包括先将热喷涂涂层喷涂在圆柱体基体块的表面上，然后使用高强度环氧树脂将圆柱体加载块的表面黏合到涂层表面。涂层的RH由失效时施加的最大载荷除以横截面积得出。

若失效发生在涂层–基材界面处，则得出涂层的黏合强度；
若失效完全发生在涂层内，则得出涂层的内聚强度。对于高RH的涂层来说，环氧黏合剂会先于涂层发生断裂分离。

9. 涂层硬度过小

依据《金属材料洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》（GB/T 230.1–2018），对涂层表面进行硬度测试。涂层硬度过小，表明涂层强度和耐磨性能偏低，维修人员可以通过改变涂层材料或者改进喷涂参数来提高涂层的硬度。

大气等离子喷涂工艺是一种将熔融或热软化的材料喷涂到表面上以提供涂层的技艺。到目前为止，已确定热喷涂工艺的最大优点是适用于形成涂层的材料种类繁多（可以使用任何熔化而不改变其特性的材料）；
另一个优点是，这些具有高熔点的材料易形成涂层，而不会传递大量的热量，也不会破坏基材的特性。但热喷涂工艺的缺点是对空腔的尺寸恢复有限制性，因为涂层只能喷涂到喷枪或火炬可以进入的腔体中。比如CFM56系列发动机的低压涡轮轴内径磨损，由于受其狭窄的空间限制，维修人员就无法使用热喷涂技术来恢复其内表面尺寸，从而导致只能通过更换新件来满足其适航性。

另外，有经验的维修人员能够重复正确地使用热喷涂设备，这对喷涂的质量是非常重要的。本文建议，维修单位应制定相关操作人员的培训计划和资格考试，以确保热喷涂操作人员能够获得足够的理论知识和实践经验，掌握喷涂标准工艺流程和操作规范，从而保证喷涂出符合要求的涂层。

为了进一步提高喷涂过程中的质量控制精度，就要对喷涂颗粒的状态（包括温度、速度和熔融程度等）和涂层沉积厚度进行实时监控，这些是今后我国等离子喷涂质量控制技术必须要加以研究的方向；
同时还需要进一步规范工艺流程和操作，以此来持续提升维修涂层质量、节省喷涂材料、提高维修效率。涂层的特性也可以通过改变喷涂的参数来适应特定的应用要求。所以，涂层的质量控制就显得尤为重要，而我国热喷涂技术的标准化随着涂层材料和喷涂设备的研发也在不断完善。