2.2.1　熔覆电流对熔覆层性能的影响

2.2.1.1　熔覆电流对镍基熔覆层性能的影响

等离子熔覆的电流密度即为其输出的功率密度，输出功率的密度直接影响熔覆层的成型质量和熔覆层的性能。当熔覆功率相对较低时，达不到熔覆层所需的能量，则该涂层粉末不能完全熔覆，未熔粉末仍以粉末的形式存在，导致熔覆质量下降。当熔覆功率过高时，其输入的能量远远高于熔覆层粉末所需的能量，则会导致粉末烧损或者直接导致粉末气化，烧损或气化后产生的气体介质在熔覆过程完成后未能在熔覆层速冷过程中及时排出，使得熔覆层中产生孔隙以及杂质等缺陷，对熔覆层质量亦有不利影响。

图2.3是扫描速度为3mm/s时不同熔覆电流下镍基熔覆层的宏观形貌。当熔覆电流为75A时，涂层表面十分不平整，有大量未熔颗粒且毛边过厚，成型质量较差；而电流增大到85A时，涂层表面出现大量气孔，由于等离子熔覆过程中输入的热量过多，导致基体稀释率过大，促使基体中大量碳元素上浮并与氧元素反应生成CO，在熔池冷却的过程中无法及时排出，导致涂层宏观质量变差。经过大量实验验证，当熔覆电流为80A时，熔覆层宏观质量最佳。

图2.4为镍基熔覆层在不同熔覆电流及扫描速度下的宏观形貌（彩图参见目录中二维码）。由图中（a）、（c）、（e）或（b）、（d）、（f）对比可知，随着电流的增加，涂层中产生的气孔增多，表面质量下降。由于电流的不断增大，等离子束的能量密度增大，稀释率增大，导致铸铁基体中大量C元素进入熔池，并与熔池中的氧化物或空气中的氧气发生反应生成大量CO气体。当熔池快速凝固而CO气体来不及完全逸出时，在涂层表面形成孔洞，涂层的表面质量较差。随着熔覆电流减小，涂层宽度随之减小。这是由于能量输入减少，基体熔化程度降低，参与形成涂层的成分减少，因此涂层宽度减小。

不同电流下镍基熔覆层Ni35与基体结合界面处的微观形貌如图2.5所示。由图看出3种电流条件下的熔覆层并没有出现过度烧损和未熔化的粉末，但随着电流的增大，熔覆层的组织也趋于均匀、清晰。这是因为在合理的熔覆电流范围内，增大电流使合金粉熔融得更加充分。图中不同电流下熔覆层各部位所表现出的形貌，也符合等离子熔覆过程中熔覆层各部位的结晶规律，即底部平面晶、胞状晶、柱状晶，中部树枝晶、交叉树枝晶。

熔覆电流的改变也会影响熔覆层的显微硬度。图2.6是送粉量为6.4g/min时，改变等离子熔覆电流，熔覆层各部位显微硬度值的变化。显微硬度测试所用的设备是莱州华银试验仪器有限公司生产的数字显微硬度计HVS 1000，载荷为1N，加载时间为10s。沿熔覆层由表及里直至基体测量样品的显微硬度，测量3个点取平均值作为显微硬度值。如图2.6所示，熔覆层的硬度整体大于基体，对比电流的变化，80A、120A两个样品硬度变化值相差较小，120A样品的变化值稍大。两熔覆层的显微硬度大约是基体材料的1.5～2倍，随着与界面距离的增加，熔覆层的显微硬度也出现了差异。而100A样品电流值介于80A和120A之间，但其硬度值却比两者均低且仅略高于基体。从图中还可以看出，熔覆层底部靠近分界面的位置及熔覆层顶部的硬度较熔覆层中部位置要稍低一些。从图2.5微观形貌图中可以看出，熔覆层中部显微组织结构更加均匀、细密，这可能是其硬度值升高的原因。

2.2.1.2　熔覆电流对铁基熔覆层性能的影响

图2.7为送粉量为5.4g/min时铁基熔覆层样品分别在电流80A、100A和120A时的微观组织形貌。分别从三种样品的熔覆层与基体界面处、熔覆层中部、熔覆层顶部三个不同区域进行观察。

随着电流逐渐增加，熔覆层组织主要由大块枝晶及枝晶间的共晶组织组成。电流为80A的样品界面处主要为柱状晶，中部主要为细小枝晶，顶部主要为等轴晶。电流为100A的样品界面处主要为柱状晶，中部能发现少量枝晶和等轴晶，顶部主要为等轴晶。电流为120A的样品不论界面处、中部还是顶部都主要由枝晶构成，尤其是熔覆层中部能明显看到大块枝晶。因此，对比所有样品的微观组织形貌照片发现，随着熔覆电流的增大，样品熔覆层中枝晶组织越来越多。

图2.8为熔覆电流不同时熔覆层不同区域的能谱。表2.1是不同熔覆电流熔覆层不同区域的元素质量分数。结合图2.8和表2.1综合分析，在熔覆电流为80A时，对比A区（晶内）与B区（晶间）元素含量可以看出，A区、B区中Fe、Cr两种元素含量较高。A区Fe含量高于B区，Cr含量则低于B区。与80A样品不同，熔覆电流为100A时，样品A区Fe含量低于B区，Cr含量则A区高于B区。熔覆电流为120A时，A区、B区均是Fe、Cr两种元素含量较高。与80A样品相同，与100A样品不同的是，A区Fe含量高于B区，Cr含量则低于B区。综合三种不同熔覆电流工艺能谱分析结果可知，熔覆层各元素含量比例与粉末成分设计值相差不大。随着熔覆电流逐渐增大，晶内和晶间Si含量和O含量也有所增加。当熔覆电流为100A时，晶内Fe含量低于晶间，Cr含量则高于晶间。

图2.9为送粉量为5.4g/min时熔覆电流为80A和120A条件下的样品元素面扫描结果（彩图参见目录中二维码）。由图可看出，在作为熔覆层主体的晶粒中，Cr元素和Fe元素含量较高，O主要分布在晶间，Si多数分布在晶粒内，Cr主要分布在晶间。其余元素无明显分布情况。由此可知，熔覆电流对样品中化学元素在微观组织中的分布影响不大。

为了分析熔覆电流对熔覆层硬度的影响，图2.10给出了送粉量为5.4g/min和6.4g/min时不同熔覆电流熔覆层显微硬度的变化。从图2.10（a）和图2.10（b）可以看出，所有样品熔覆层硬度均明显高于基体硬度，且界面处显微硬度较大。同时可发现，沿熔覆层截面方向随着距离的增加，涂层显微硬度普遍经历降低→增加→降低的变化。此外，在图2.10（a）中，随着熔覆电流的增大，显微硬度先增加再降低，电流为100A且送粉量为5.4g/min样品的显微硬度最高。在图2.10（b）中，随着熔覆电流的增大，显微硬度先降低后增加，电流为80A且送粉量为6.4g/min时样品的显微硬度最高。因此可以推测，涂层样品显微硬度变化不完全与电流变化呈线性关系，可能还与其他工艺参数，如送粉量相关。只有适当调节电流与送粉量得到最佳工艺参数时，才能得到显微硬度较高的样品。

为了研究电流对冲蚀磨损性能的影响，在冲蚀角90°条件下进行了5min的冲蚀试验。

表2.2列出了送粉量为6.4g/min时不同熔覆电流的样品进行冲蚀试验前后的质量差。通过对比发现，随着熔覆电流的增大，冲蚀失重逐渐减少，表明熔覆层抗冲蚀磨损性能逐渐增强。