丝电爆喷涂过程工艺参数对涂层性质的影响

毕学松 马瑞芳 朱 亮

(1.唐山开元焊接自动化技术研究所有限公司,河北 唐山 063020; 2.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050)



丝电爆喷涂过程工艺参数对涂层性质的影响

毕学松1马瑞芳1朱 亮2

(1.唐山开元焊接自动化技术研究所有限公司,河北 唐山 063020; 2.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050)

采用气体放电式丝电爆装置进行丝电爆喷涂试验，利用扫描电镜分析涂层性质特点，认识喷涂距离和能量密度对涂层性质的影响。结果表明，在不同工艺参数下，可获得四类性质的涂层，其中液相喷涂层和气相沉积涂层与基体结合强度较高；沉积在金属丝上能量密度和喷涂距离直接影响涂层性质。

丝电爆 喷涂距离 能量密度 电爆产物

0 序 言

丝电爆喷涂是以高密度脉冲电流(1×104～1×106A/mm2)快速流过金属丝，使丝导体瞬间熔化、汽化、膨胀并发生爆炸，产生的冲击波力学效应，使爆炸产物高速喷射到基体表面形成涂层的方法[1-4]。与大部分热喷涂技术相比，丝电爆喷涂技术很多方面都具有独特优势，近年来受到了广泛关注。丝电爆喷涂适用材料广，几乎所有金属丝材料都能用于表面喷涂，尤其适于高熔点材料的喷涂，并且喷涂过程对基体材料的热影响很小，可获得与基体结合强度高、表面光滑的涂层[5-7]；不仅能在金属表面，而且能在玻璃、陶瓷、塑料的表面上进行喷涂，不仅能喷涂平面，还适合于管状工件内表面的喷涂[8-9]。

目前，很多研究都发现，丝电爆喷涂过程中，初始电压、电容、金属丝的直径、长度等工艺参数对爆炸产物及涂层性质均有不同程度的影响[10-12]，但是对于涂层形成机理都没有形成统一的认识。从本质上讲，不同的工艺参数反映初始能量，而沉积在丝导体上的能量密度直接影响金属丝爆炸后产物形态，最终影响涂层性能。另外研究还发现，喷涂距离(喷涂材料与基体之间的距离)也是影响丝电爆喷涂过程的一个重要因素，但在不同的试验过程中，最佳的喷涂距离也存在较大差别[8,10-11]，喷涂距离对丝电爆过程影响还需要深入研究。

文中在气体放电式丝电爆设备上改变沉积在金属丝上的能量密度和喷涂距离进行系列试验，认识丝电爆喷涂形成的涂层性质，以及能量密度和喷涂距离对涂层性质的影响规律。

1 试验装置及方法

图1为气体放电式丝电爆试验装置示意图，主要包括储能电容C、高压开关S、电极、金属丝等部分。与两电极相连的C可以通过高压发生器H.V.直接充电，金属丝布置在两电极之间。当闭合S后，大电流瞬间通过金属丝使其熔化、汽化、膨胀并发生爆炸，爆炸产物在爆炸冲击波作用下高速喷射到基体表面形成涂层。试验中初始充电电压范围4 ～10 kV，储能电容C为8.8 μF。

图1 试验方法示意图

试验中金属丝采用直径为0.2 mm和0.3 mm、长度70 mm的铜丝，喷涂基体为石英棒。金属丝以石英棒之间的距离D为喷涂距离，如果D太大，爆炸产物到达基体时不能形成有效涂层，根据试验效果最终确定D的范围为1～20 mm。试验获得的涂层通过扫描电镜(SEM)进行分析。

试验过程中采用罗氏线圈和高压分压器测量电压和电流，并用示波器记录波形。图2为丝电爆过程中典型的电压和电流波形(初始充电电压7 kV，金属丝直径为0.2 mm)。沉积在金属丝上的能量可以通过式(1)进行估算：

E=∫0tbrU(t)·I(t)dt

(1)

其中,U(t)和I(t)分别流过金属丝的电压和电流;tbr为金属丝开始爆炸的时刻。已有研究一般认为丝电爆过程分为五个阶段：固态加热、熔化、液态加热、气态加热和气体击穿阶段。气体击穿时即为爆炸开始的时刻，此时由于导体的电阻迅速增大，导致电流会迅速减小，电压迅速增大，如图2中tbr所示的时刻[11]。

图2 典型电压电流波形

利用以上计算的爆炸前沉积在金属丝上的能量E和金属丝的质量m，利用式(2)计算能量密度：

ω=E/m

(2)

进行系列丝电爆喷涂试验，计算沉积在金属丝上的能量密度，并利用扫描电镜分析相应涂层性质。

2 试验结果

2.1 涂层性质分析

从宏观上观察不同工艺参数下获得的涂层，并进一步利用扫描电镜(SEM)观察涂层的微观表面形态。归纳后大致可以获得四类性质的涂层。

(1)初始电压6 kV，喷涂距离3 mm，采用直径为0.3 mm的铜丝进行丝电爆喷涂试验，宏观观察获得的涂层，其表面比较粗糙，呈铜色，结合强度较强。扫描电镜下涂层微观形貌具有明显的液态熔融粒子溅射状图案，典型照片如图3a所示。此时沉积在金属丝上的能量密度较小，约为4.6×103J/g，金属丝爆炸后主要形成熔融态金属，由于喷涂距离也较小，熔融态金属还没有凝固就直接喷溅到基体上，形成了“液相喷涂层”。

(2)初始电压6 kV，喷涂距离8 mm，采用直径为0.3 mm的铜丝进行丝电爆喷涂试验，宏观观察获得的涂层，其表面均匀，呈黑色，但结合强度较小。扫描电镜下观察其微观形貌，涂层由大量的细碎颗粒组成，颗粒与基体疏松结合在一起，没有液态金属溅射状图案，如图3b所示。由于喷涂距离较大，爆炸过程中形成的熔融态金属到达基体时已经冷却成为固态，固体颗粒直接堆积在基体表面形成了这种固态堆积涂层，涂层与基体结合强度较低。

(3)初始电压8 kV，喷涂距离3 mm，采用直径为0.2 mm的铜丝进行丝电爆喷涂试验，可以得到表面光滑，与基体结合强度高的涂层。扫描电镜下观察涂层微观形态，典型照片如图3c所示。可以看出，涂层表面致密平整，形态上属于气相喷涂材料在基体表面直接沉积形成的。此时沉积在金属丝上的能量密度较大，约为1.28×104J/g，丝电爆后主要形成金属蒸汽，由于喷涂距离较小，处于高温的金属蒸汽直接沉积在基体上，形成与基体结合强度很高的气相沉积涂层。

(4)初始电压8 kV，喷涂距离10 mm，采用直径为0.2 mm的铜丝进行丝电爆喷涂试验，可以得到表面光滑，颜色呈黑色，与基体结合强度较低涂层。扫描电镜下观察涂层微观形态，典型照片如图3d所示。可以看出，在基体表面堆积着近似球形的颗粒，还有微小颗粒的团聚体，形成这种涂层的过程与电爆制粉很相似[13]，由于喷涂距离较大，电爆形成的气相金属材料在膨胀的过程中已经形成微小的固态颗粒, 然后吸附堆积在基体表面，形成了气相堆积涂层。

图3 典型涂层微观照片

2.2 喷涂距离和能量密度对涂层性质影响

综合上述试验结果可以看出，四种涂层中液相喷涂层和气相沉积涂层与基体结合强度较高，具有较强的工程应用价值，而沉积在金属丝上的能量密度及喷涂距离是影响涂层性质的主要工艺参数。通过改变初始试验参数进行试验，分析沉积能量密度及喷涂距离对涂层性质的影响规律，结果如图4所示。

图4 涂层性质与能量密度及喷涂距离的关系

通过上述结果可以看出，沉积在金属丝上的能量密度小于4.6×103J/g时，丝电爆产物主要是熔融态金属，能够形成“液相喷涂层”的喷涂距离小于4 mm；沉积在金属丝上能量密度在4.6×103～1.28×103J/g时，爆炸产物为金属蒸汽和熔融粒子的混合物，能够形成气相沉积涂层的喷涂距离约为5 mm以下；当能量密度大于1.28×103J/g时，丝电爆产物主要以金属蒸汽为主，能够形成气相沉积涂层的喷涂距离约为8 mm以下，并且能量密度越大，对应的喷涂距离也越大。

3 结 论

(1)丝电爆喷涂过程中，可获得四类性质的涂层，分别为液相喷涂层、固态堆积涂层、气相沉积涂层和气相堆积涂层。其中液相喷涂层和气相沉积涂层与基体结合强度较高，具有工程应用价值。

(2)沉积在金属丝上的能量密度和喷涂距离直接影响涂层性质。能量密度越大，丝电爆产物中金属蒸汽越多，喷涂距离在爆炸产物未凝固的膨胀距离内时，可得到液相喷涂层或气相喷涂层。

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2016-12-05

TG401

毕学松，1983年出生，博士，工程师。主要从事高能束焊接技术等高效高质焊接新技术研发工作，已发表论文10余篇。