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【摘要】采用四种爆炸喷涂工艺参数在耐热不锈钢基体上制备高温炉辊涂层，利用金相显微镜、SEM和EDS等技术分析涂层的组织形貌和成分组成，并检测涂层的表面粗糙度、显微硬度和结合强度。结果表明：在一个爆炸喷涂周期内，氧乙炔充气的时间对涂层性能的影响很大，在一定的范围内，适当的增加氧乙炔充气的时间，可改善涂层的组织结构，在充气时间为3～43ms时，其结合强度可达到125.45MPa。
【关键词】爆炸喷涂；高温炉辊；组织形貌；氧乙炔充气时间
自上世纪50年代初期，美国联合碳化物公司利德分公司发明了粉末爆炸喷涂（简称爆炸喷涂）技术以来，该技术作为当前热喷涂领域内最高的技术，其所制备的涂层具有高结合强度、低的热损伤及低孔隙率等优点，在越来越多的领域得到广泛的应用。钢厂连续退火炉和步进式加热炉高温段炉辊对表面涂层的耐磨性、抗高温氧化腐蚀能力和抗积瘤性能都有很高的要求，传统的热喷涂方法制备的涂层性能已不能满足使用要求，用爆炸喷涂制备的NiCrAl系列和Al2O3复合涂层能很好的满足高温炉辊的使用要求。
本文采用四种不同爆炸喷涂工艺参数制备高温炉辊涂层，研究喷涂工艺对涂层的微观组织结构和常温性能的影响。
1.实验
1.1涂层制备
本实验采用的粉末为NiCrAl Al2O3，试样基体材料为耐热不锈钢，尺寸为Ф25.4×6mm，喷涂前试样表面进行研磨和喷砂处理，采用爆炸喷涂设备进行喷涂，该喷涂设备以乙炔为燃气、氮气为送粉气，本实验所选的四种喷涂参数见表一：
1.2涂层分析
利用TIME—TR220型粗糙度仪测量涂层的表面粗糙度，HVT-1000显微硬度计测涂层的显微硬度，利用OLYMPUSGX51金相显微镜观察涂层截面的微观形貌，并测定孔隙率，用S-3400N扫描电镜观察微观组织和元素分析，利用WDW-100E万能拉伸试验机测涂层的结合强度。
2、试验结果与分析
2.1涂层的表面粗糙度和孔隙率
涂层的表面粗糙度，是指涂层表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，在一定程度上可以反应粉末颗粒与基体冲击的扁平化程度，涂层表面粗糙度Ra值越小，则粉末颗粒的变形越充分，扁平化程度越高。随着氧乙炔充气时间的增加，涂层的表面粗糙度Ra值呈现先减小后增大的变化趋势。
本实验采用金相法中的图像分析法来测定涂层的孔隙率，实验时选取20个视场分别测定孔隙率，再取其算术平均值作为最后的测量结果，与表面粗糙度有相同的变化规律。这是因为随着氧乙炔充气时间的增加，提高了爆炸能量，改善了粉末颗粒的熔融状态，提高了的粉末颗粒的飞行速度，粉末颗粒与基体碰撞时变形更充分，扁平化程度更高，则涂层均匀致密。而当爆炸能量太高时，粉末过熔，与基体碰撞时产生飞溅，使涂层的不平度和孔隙增加。
2.2涂层的显微硬度
在载荷为100g、加载时间为20s的条件下，测得四种涂层截面的显微硬度平均值。可以看出随着氧乙炔充气时间的增加，涂层的显微硬度与孔隙率有相反的变化趋势，这是因为当显微硬度计压头压在疏松的组织或其周边时，该点的显微硬度值偏低，当显微硬度计压头压在致密的组织上时，该点的显微硬度值偏高。
2.3涂层的结合强度
本实验在常温条件下检测涂层的结合强度，涂层的结合强度随着氧乙炔充气时间的增加，呈现先增大后减小的变化趋势，3号参数对应的试样结合强度最高，达到125.45MPa。因为在此参数下，粉末的熔融状态良好，飞行速度很大，与基体碰撞时的变形程度高，涂层致密，结合强度高。
2.4涂层截面组织形貌和元素分析
（1）涂层截面元素分析：对涂层的截面进行能谱分析，通过能谱分析，发现SEM照片中的浅色区域为NiCrAl系列涂层，深色区域为Al2O3，即在涂层中，细小的Al2O3颗粒被NiCrA包覆，均匀的分布在涂层中。炉辊在工作时，涂层中的Al元素最先发生氧化，以Al2O3颗粒为核，在涂层表面形成致密的氧化铝保护膜，阻止氧化继续进行，同时氧化铝自身的高硬度、高熔点特点，即保证了炉辊耐磨性，又防止了炉辊表面结瘤，提高了炉辊使用寿命。
（2）涂层截面的显微组织形貌：四种喷涂参数制备的涂层显微组织形貌，参数制备的涂层显微组织形貌，可以看出，此参数下涂层的组织致密，氧化铝在整个视场中均匀分布，涂层的显微组织形貌良好，这与涂层的表面粗糙度、孔隙率、显微硬度以及结合强度获得相对最优值时，所对应的喷涂参数一致。即采用3号参数喷涂时，高温炉辊涂层获得最优的综合性能。
3、结论
1、在一个爆炸喷涂周期内，氧乙炔充气的时间对涂层性能的影响很大，时间太短或太长都会降低涂层的性能，充气时间为3～43ms时，涂层的综合性能最优。
2、在一定的范围内，适当的增加氧乙炔充气的时间，可提高爆炸能量，改善粉末的熔融状态，提高扁平化程度，能够获得更均匀致密、低孔隙率、高硬度和高结合强度的涂层。
3、用爆炸喷涂的方法可以获得Al2O3颗粒在NiCrAl中均匀分布的高温炉辊涂层。
4、用爆炸喷涂制备的高温炉辊涂层，其常温结合强度可达到125.45MPa。
【关键词】爆炸喷涂；高温炉辊；组织形貌；氧乙炔充气时间
自上世纪50年代初期，美国联合碳化物公司利德分公司发明了粉末爆炸喷涂（简称爆炸喷涂）技术以来，该技术作为当前热喷涂领域内最高的技术，其所制备的涂层具有高结合强度、低的热损伤及低孔隙率等优点，在越来越多的领域得到广泛的应用。钢厂连续退火炉和步进式加热炉高温段炉辊对表面涂层的耐磨性、抗高温氧化腐蚀能力和抗积瘤性能都有很高的要求，传统的热喷涂方法制备的涂层性能已不能满足使用要求，用爆炸喷涂制备的NiCrAl系列和Al2O3复合涂层能很好的满足高温炉辊的使用要求。
本文采用四种不同爆炸喷涂工艺参数制备高温炉辊涂层，研究喷涂工艺对涂层的微观组织结构和常温性能的影响。
1.实验
1.1涂层制备
本实验采用的粉末为NiCrAl Al2O3，试样基体材料为耐热不锈钢，尺寸为Ф25.4×6mm，喷涂前试样表面进行研磨和喷砂处理，采用爆炸喷涂设备进行喷涂，该喷涂设备以乙炔为燃气、氮气为送粉气，本实验所选的四种喷涂参数见表一：
1.2涂层分析
利用TIME—TR220型粗糙度仪测量涂层的表面粗糙度，HVT-1000显微硬度计测涂层的显微硬度，利用OLYMPUSGX51金相显微镜观察涂层截面的微观形貌，并测定孔隙率，用S-3400N扫描电镜观察微观组织和元素分析，利用WDW-100E万能拉伸试验机测涂层的结合强度。
2、试验结果与分析
2.1涂层的表面粗糙度和孔隙率
涂层的表面粗糙度，是指涂层表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，在一定程度上可以反应粉末颗粒与基体冲击的扁平化程度，涂层表面粗糙度Ra值越小，则粉末颗粒的变形越充分，扁平化程度越高。随着氧乙炔充气时间的增加，涂层的表面粗糙度Ra值呈现先减小后增大的变化趋势。
本实验采用金相法中的图像分析法来测定涂层的孔隙率，实验时选取20个视场分别测定孔隙率，再取其算术平均值作为最后的测量结果，与表面粗糙度有相同的变化规律。这是因为随着氧乙炔充气时间的增加，提高了爆炸能量，改善了粉末颗粒的熔融状态，提高了的粉末颗粒的飞行速度，粉末颗粒与基体碰撞时变形更充分，扁平化程度更高，则涂层均匀致密。而当爆炸能量太高时，粉末过熔，与基体碰撞时产生飞溅，使涂层的不平度和孔隙增加。
2.2涂层的显微硬度
在载荷为100g、加载时间为20s的条件下，测得四种涂层截面的显微硬度平均值。可以看出随着氧乙炔充气时间的增加，涂层的显微硬度与孔隙率有相反的变化趋势，这是因为当显微硬度计压头压在疏松的组织或其周边时，该点的显微硬度值偏低，当显微硬度计压头压在致密的组织上时，该点的显微硬度值偏高。
2.3涂层的结合强度
本实验在常温条件下检测涂层的结合强度，涂层的结合强度随着氧乙炔充气时间的增加，呈现先增大后减小的变化趋势，3号参数对应的试样结合强度最高，达到125.45MPa。因为在此参数下，粉末的熔融状态良好，飞行速度很大，与基体碰撞时的变形程度高，涂层致密，结合强度高。
2.4涂层截面组织形貌和元素分析
（1）涂层截面元素分析：对涂层的截面进行能谱分析，通过能谱分析，发现SEM照片中的浅色区域为NiCrAl系列涂层，深色区域为Al2O3，即在涂层中，细小的Al2O3颗粒被NiCrA包覆，均匀的分布在涂层中。炉辊在工作时，涂层中的Al元素最先发生氧化，以Al2O3颗粒为核，在涂层表面形成致密的氧化铝保护膜，阻止氧化继续进行，同时氧化铝自身的高硬度、高熔点特点，即保证了炉辊耐磨性，又防止了炉辊表面结瘤，提高了炉辊使用寿命。
（2）涂层截面的显微组织形貌：四种喷涂参数制备的涂层显微组织形貌，参数制备的涂层显微组织形貌，可以看出，此参数下涂层的组织致密，氧化铝在整个视场中均匀分布，涂层的显微组织形貌良好，这与涂层的表面粗糙度、孔隙率、显微硬度以及结合强度获得相对最优值时，所对应的喷涂参数一致。即采用3号参数喷涂时，高温炉辊涂层获得最优的综合性能。
3、结论
1、在一个爆炸喷涂周期内，氧乙炔充气的时间对涂层性能的影响很大，时间太短或太长都会降低涂层的性能，充气时间为3～43ms时，涂层的综合性能最优。
2、在一定的范围内，适当的增加氧乙炔充气的时间，可提高爆炸能量，改善粉末的熔融状态，提高扁平化程度，能够获得更均匀致密、低孔隙率、高硬度和高结合强度的涂层。
3、用爆炸喷涂的方法可以获得Al2O3颗粒在NiCrAl中均匀分布的高温炉辊涂层。
4、用爆炸喷涂制备的高温炉辊涂层，其常温结合强度可达到125.45MPa。