基于修复涂层力学性能影响规律的再制造毛坯表面污染物状态评估

柯庆镝 姜 丰 张 鹏 田常俊 秦小州

1.合肥工业大学机械工程学院，合肥，2300092.安徽瑞赛克再生资源技术股份有限公司，芜湖，241006

0 引言

再制造工程是指对服役后产品进行专业化修复或升级改造从而实现产品质量达到或优于新品的制造过程，是当前先进制造和绿色制造的重要组成部分[1]。再制造工程的核心环节是对再制造毛坯失效结构的修复工艺过程，即利用增材制造技术(如激光熔覆、等离子喷涂等)，在待修复表面上形成涂层结构，恢复再制造毛坯的结构尺寸及服役性能。在再制造修复过程中，再制造毛坯通常为服役过一段时间的零部件，在不同服役环境中毛坯表面均存在一定程度的污染腐蚀物，这些污染腐蚀物会参与到修复涂层结构的成形过程中，进而影响修复涂层的服役性能[2]。因此，探讨再制造毛坯表面污染腐蚀物状态对后续再制造修复工艺及涂层结构服役性能的影响规律，具有重要的工程实践意义[3]。

针对以上问题，相关专家学者研究了各类再制造毛坯表面残留污染腐蚀物种类，及其对再制造修复涂层性能的影响规律。CHANG等[4]研究了等离子喷焊再制造修复过程中，FV(520)B钢表面硫化腐蚀层的相互排斥作用，该类硫化物严重降低了修复层的力学性能。LI等[5]发现基材微细裂纹中的气体和污染物是铸铁焊接和熔覆过程中产生空洞的主要原因。HANAK等[6]研究发现，基体表面存在腐蚀产物或灰尘颗粒时会导致进一步的深层腐蚀。MARTINS等[7]研究了黏结涂层界面对大气等离子喷焊热障涂层寿命的影响，结果表明在黏结层上沉积的涂层会导致涂层内部产生高度弯曲的裂片形态，影响裂纹路径的构造，缩短涂层的使用寿命。

上述研究结果表明，当再制造毛坯表面存在某类污染腐蚀物(如氧化物、硫化物等)时，修复后的涂层结构的服役性能均会有所下降。由于再制造毛坯的预处理阶段主要采用对应清洗工艺降低其表面污染腐蚀物含量，保障后续再制造修复过程，且预处理阶段的成本也随着清洁度等级的提高而增加，因此，需要合理分析再制造毛坯表面污染腐蚀物的分布情况及其对修复涂层的影响。但前述研究均是定性分析了表面污染腐蚀物的不利影响，无法有效支持相应的再制造毛坯预处理工艺规划，需进一步量化分析污染腐蚀物分布状态对修复涂层服役性能的影响规律，评估污染腐蚀物的影响效果，优化再制造毛坯预处理工艺，规划后续再制造修复流程，提高再制造工艺过程的可靠性。

本文分析了典型再制造毛坯的表面污染腐蚀物种类及分布状态，开展了再制造修复及涂层性能检测实验，获取了毛坯表面污染程度对修复涂层服役性能的影响规律，建立了污染腐蚀物含量与其修复涂层服役性能的映射函数，并面向再制造修复服役性能需求，讨论了再制造毛坯表面污染腐蚀物含量的合理阈值区间，为进一步规划再制造毛坯预处理及修复工艺过程提供了技术及数据基础。

1 再制造毛坯表面污染腐蚀物及其影响分析

再制造毛坯表面污染物及腐蚀层主要为外部沉积物、油垢、积碳、水垢、锈垢、旧漆和防护层等[8]，以发动机缸体的再制造过程[9](图1)为例，其发动机污染腐蚀物(图2)与缸体紧密结合，最大附着力可达5～10 MPa，用简单的清洗工艺去除则难度较大[10]，均提高了再制造清洗阶段的工艺复杂性及相关成本，因此，应分析再制造毛坯表面污染腐蚀物对后续修复涂层结构的影响规律，为合理规划再制造预处理过程提供测算依据。

图1 缸体再制造过程示意图Fig.1 Schematic of engine block remanufacturing process

图2 缸体污染腐蚀物分布状态示意图Fig.2 Schematic of contamination distribution state of engine cylinder

相关研究[4-7]表明，再制造毛坯表面污染腐蚀物会一定程度地降低修复涂层各类服役性能，则污染腐蚀物含量对再制造修复涂层服役性能的影响规律可以表示为

f(x)=M(0)-M(x)

(1)

其中，x为污染腐蚀物的含量；f(x)表示污染腐蚀物含量为x时，污染腐蚀物含量对修复涂层服役性能的影响；M(0)表示无污染腐蚀物时修复涂层的服役性能；M(x)表示污染腐蚀物含量为x时修复涂层的服役性能。

基于式(1)，在检测取得污染腐蚀物含量后，对比不同污染腐蚀物含量时再制造修复涂层的各项服役性能(即力学性能，如硬度、结合强度等)的具体数值，以进一步构建表面污染腐蚀物含量对修复涂层服役性能的影响函数。在不同修复涂层服役性能需求下，制定再制造毛坯表面污染腐蚀物含量的阈值区间，从而进一步合理规划再制造预处理过程。

本文以汽车发动机缸体类零件的再制造预处理及修复过程为研究对象，结合缸体零部件服役环境，在样件(QT500-7)上制备不同含量的污染腐蚀物，利用激光熔覆增材工艺制备表面修复涂层结构，重点检测并分析涂层结构的表面硬度及结合强度的变化规律，基于式(1)构建基于污染腐蚀物含量的修复涂层服役性能影响函数表达式，为对应缸体类零件的再制造预处理过程规划提供技术及数据基础。

2 基于污染腐蚀物的熔覆涂层结构制备

2.1 基材分析

汽车发动机缸体通常为球墨铸铁材料，因其具有高强度、高韧性、高塑性、耐磨、减振、易切削、对缺口不敏感等特性[11]，常用于制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件[12-13]，如曲轴、轧辊、发动机缸体等结构件。

基于再制造企业调研，实验基体材料选用为球墨铸铁QT500-7，其化学成分如表1所示。熔覆层材料采用Fe55A铁基合金粉末，粒度为45～105 μm，其化学成分如表2所示。

表1 QT500-7的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions in QT500-7(mass fraction) %

表2 Fe55A铁基合金粉末的化学成分(质量分数)Tab.2 Chemical compositions in Fe55A iron-based alloy powder(mass fraction) %

2.2 基体污染腐蚀物及熔覆层的制备实验

不同于其他微观组织性能检测实验，结合强度检测实验需要在不同的实验环境下进行，因此本实验分两个部分进行，两次实验均设置了A、B、C三类实验对照组。

2.2.1微观组织性能检测的样件制备

A、B、C实验对照组的样件制备过程如表3所示。基于铸铁恒温氧化腐蚀动力曲线[14-15]，在本实验条件下，B组的反应时间为C组反应时间的一半，通过测量增重可得B组表面残留的污染腐蚀物含量略大于C组表面残留污染腐蚀物含量的50%。

表3 污染腐蚀物制备工艺Tab.3 Preparation process of contamination

2.2.2修复涂层制备

结合再制造企业及文献调研[16]，本实验涂层制备选用的是激光熔覆工艺，所选用的粉材为Fe55A铁基合金粉末(表2)，所用到的激光熔覆设备及主要工艺参数如表4所示。

表4 激光熔覆装置及工艺参数Tab.4 Laser cladding device and processing parameters

2.2.3抗拉结合强度检测实验样件制备

基于相关专利及文献调研[17]，本文设计出了熔覆层抗拉结合强度的检测方法，A、B、C三组试样结构如图3所示，每组两个样件，在各组试样的上表面分别按前文所述的参数依次制备污染腐蚀物和熔覆涂层。

图3 力学性能检测试样及其熔覆层制备Fig.3 Mechanics properties test specimens and preparation of cladding layer

对上述试样加工出图4所示的T形拉伸试样。利用MTS809型液压伺服试验机施加缓慢增大的拉力F使熔覆层与基体分离，同时记录各试样拉伸时的应力应变曲线，得到试样熔覆层与基体的抗拉结合强度。

图4 熔覆层抗拉结合强度的测试Fig.4 Tensile bonding strength test of cladding layer

3 基于污染腐蚀物的熔覆涂层力学性能及组织分析

3.1 Fe基合金激光熔覆层与基体的硬度分布

在每个样件的熔覆层-基体横截面上，设定基体表面位置为坐标零点，沿垂直于基体表面方向，以0.1 mm的间距向熔覆层及基体两侧选取测量点，依次采用FM-800型维氏硬度计测量各点处的硬度HV0.5(下标0.5表示维氏硬度测量时所选取的载荷为0.5 kg)，载荷保持时间为12 s，每组进行3次实验，实验结果取每组3次测量值的平均值，测得的三组Fe基合金激光熔覆层的维氏硬度分布结果如图5所示。

图5 激光熔覆层横截面维氏硬度分布结果Fig.5 Vickers hardness distribution results of cross section of laser cladding layer

由图5可以看出：三组试样的基体部分受熔池热影响较小，其维氏硬度变化不大且数值较小；在热影响区和熔合区，三组试样的维氏硬度提高到500～700 MPa之间，最终在熔化区与熔合区边界处A、B两组试样达到各自硬度的最大值，而C组试样的硬度在熔化区与熔合区边界处略有下降。三组试样在熔化区与熔合区边界处的维氏硬度均明显高于对应基体的维氏硬度，其主要原因是激光熔覆时，熔化区熔池冷却快，晶粒较细小。同时在熔合区和熔化区，维氏硬度总体上表现为随着污染腐蚀物含量的增加，熔覆层的硬度呈下降趋势。

A组和B组试样在熔化区与熔合区边界处的维氏硬度均达到最大值，分别为820 MPa和751 MPa，B组的维氏硬度虽然较A组硬度有所降低，但下降得并不明显：C组测得的最大维氏硬度仅为554 MPa，较之A组硬度则有明显降低，仅为其67.5%。

基于前文所述，可认为B组表面污染腐蚀物的含量略大于C组表面污染腐蚀物含量的50%，但样件污染腐蚀物对其熔覆层硬度的影响是成非线性规律的。于是可以得出，当基体表面存在少量的污染腐蚀物残留时，污染腐蚀物含量对熔覆层硬度的影响不明显；但当污染腐蚀物的含量达到某一个阈值后则会对熔覆层硬度产生越来越显著的负面影响。

3.2 熔覆层物相分析

采用X’Pert MPD Pro型X射线衍射仪对激光熔覆层进行物相分析。图6所示为熔覆层的XRD谱，可以看出：熔覆层组织中的物相除了γ-Fe相外，还存在熔覆过程中合金元素之间发生一系列物理化学变化而形成的Fe7C3、Fe3C、Cr7C3等碳化物硬质相，这些碳化物在尺寸较小时对材料性能具有积极作用，不仅能提高涂层的硬度和耐磨性还能改善涂层的延展性[18-19]，这也正是熔覆层的显微硬度高于基体部分显微硬度的原因。

图6 铁基合金熔覆层的XRD谱Fig.6 XRD spectrum of iron-based alloy cladding layer

3.3 熔覆层-基体抗拉结合强度分析

如图4所示，利用MTS809型液压伺服试验机向试样两端施加拉伸力使得熔覆层与基体分离，试验数据按取每组两个试样的平均值处理，图7为A、B、C三组试样拉伸试验时的应力-应变曲线，表5列举了各组试样熔覆层-基体界面的抗拉结合强度，以及各组试样发生断裂的位置和形式。从图7和表5中可以看出，当基体表面无污染腐蚀物(A组试样)时，抗拉结合强度可达到241.22 MPa，当基体表面存在污染腐蚀物时，抗拉结合强度有所降低，其中含有较少污染腐蚀物的B组试样熔覆层-基体界面的抗拉结合强度为222.78 MPa，是A组抗拉结合强度的92.3%；污染腐蚀物含量最高的C组熔覆层-基体界面的抗拉结合强度大幅下降至158.86 MPa，仅为A组抗拉结合强度的65.9%。

图7 三组试样拉伸应力-应变曲线Fig.7 Tensile stress-strain curves of three specimens

表5 拉伸试验结果Tab.5 Result of tensile test

由上述结果可以得出与污染腐蚀物含量对硬度分布状态的影响相类似的规律，即随着基体表面污染腐蚀物含量的增加，熔覆层-基体的抗拉结合强度呈现递减的趋势，并且当污染腐蚀物的含量超过一定阈值后，其熔覆涂层的抗拉结合强度会迅速下降。

从表5中列出的各试样的断裂发生位置及形式，以及图8中A、B、C三组试样的断裂宏观形貌可以看出，各组试样的断裂位置均发生在熔合区，且污染腐蚀物的含量越多断口越平整：A组试样发生的是韧性断裂，断裂面与横截面呈锥形，断裂前熔覆层区域在一定程度上发生了塑性变形，说明熔覆层与基体结合紧密；B、C两组试样的断裂面均发生脆性断裂，断口为平整表面，造成这一现象的原因可能是污染腐蚀物的存在一定程度上阻碍了冶金结合的形成，且分布在结合界面处的污染腐蚀物造成的空隙、夹杂等缺陷使得断裂破坏更容易发生。

(a)A组试样 (b)B组试样

3.4 熔覆层微观状态分析

对A、B、C三组试样的横截面打磨抛光，然后用硝酸酒精溶液(硝酸与酒精的体积比为5 mL∶100 mL)侵蚀30 s。采用E9000数码金相显微镜观察三组试样的熔覆层组织，图9所示为A组试样的激光熔覆横截面的形貌，该试样截面自下而上分为基体、热影响区、熔合区和熔化区。由图9可以看出，当基体表面无污染腐蚀物时，熔覆层几乎没有裂纹、气孔或夹杂物等缺陷，涂层与基体整体结合紧密，形成了冶金结合，熔覆层状态良好。同时可以看出熔覆层和基体结合带相互交叠，呈波浪形，没有形成明显的分界面，实际上，结合带互相重叠可以增大熔覆层和基体之间的结合应力，对提高熔覆层的结合强度是有利的[20]。

图9 A组试样激光熔覆横截面的微观形貌Fig.9 Microscopic morphology of laser cladding cross section for group A

从图9中还可以看出，在熔合区和热影响区，球墨铸铁基体中部分原始石墨熔化进入熔池，使得熔池含碳量增加，这也是熔覆层硬度高于基体硬度的原因，而在熔化区，成分过冷度增大，形核率提高，得到了细小致密的组织，细化的晶粒进一步提高了熔覆层的硬度和强度[21]。

图10与图11所示分别为B、C两组试样的熔覆层微观形貌。从图10中可以看出，含有较少污染腐蚀物的B组试样的熔覆层和基体同样结合紧密，形成了冶金结合，熔覆层和基体之间具有渐变过渡的分界面。而从图11中可以看出，在基体污染腐蚀物含量最高的C组，基体与熔覆层的结合处存在明显的组织分界面，基体和熔覆层的过渡区域(热影响区)很小，这说明较多的污染腐蚀物阻碍了冶金结合的形成，也导致了在图5中与A、B两组试样相比，C组试样在热影响区有较低的硬度。且界面结合处出现了体积较大的空隙，这可能与高温熔池中部分污染腐蚀物分解产生气体有关，这些空隙显著减小了熔覆层和基体的有效结合面积，这也是造成前文所述的A、B两组试样的抗拉结合强度差别不大，而B、C两组试样的抗拉结合强度差异明显的主要原因。

图10 B组试样激光熔覆横截面的微观形貌Fig.10 Microscopic morphology of laser cladding cross section for group B

图11 C组试样激光熔覆横截面的微观形貌Fig.11 Microscopic morphology of laser cladding cross section for group C

4 毛坯污染物对再制造修复涂层性能的影响规律及其应用

在不同污染腐蚀物含量下，熔覆层在硬度、物相、结合强度、微观形貌等方面的性能上均有不同程度的变化。基于上述力学实验结果，可以得出：随着污染腐蚀物含量的增加，熔覆层的各项力学性能均呈下降趋势，但B组与C组的性能差异却远大于A组与B组的性能差异，即熔覆层的力学性能与污染腐蚀物含量之间的函数关系为单调递减的非线性关系。因此针对本研究观测的两类涂层结构力学性能(最大维氏硬度和抗拉结合强度)，构建污染腐蚀物含量x对涂层结构力学性能的影响规律函数，其表达式为

(2)

ξ(x)=ξ(0)-Kξxb

(3)

结合本文的实验数据，可以求解出式(2)和式(3)中的待定常数，并得到如下关系：

(4)

ξ(x)=241.22-3957.4x2.33(MPa)

(5)

在本例中，B组试样的最大维氏硬度和抗拉结合强度均达到了A组试样对应力学性能的90%，熔覆层性能较为稳定，而C组试样两项力学性能则均不到A组试样对应力学性能的70%，熔覆层性能明显降低。这同样可以从微观形貌图中得到印证，A组和B组试样在熔合区都形成了冶金结合，而C组试样由于存在较多的污染腐蚀物而阻断了冶金结合的形成，导致熔覆层和基体之间形成了明显的分界面，因而抗拉结合强度及熔覆层内的最大维氏硬度均明显处于较低水平。通过分析式(4)、式(5)以及图12所示的熔覆层力学性能和污染腐蚀物含量的关系可知，随着污染腐蚀物含量的增加，熔覆层的最大维氏硬度和抗拉结合强度均下降得越来越快；当污染腐蚀物含量处于不太高的水平时，其熔覆层力学性能与无污染腐蚀物时的力学性能接近。

(a)最大维氏硬度和污染腐蚀物含量的关系

综上所述，本文的实验结果可以为再制造过程中基体表面清洁度的选择提供一定参考。在本文的案例中，以无污染腐蚀物时的再制造修复涂层力学性能为基准，根据工程需要的力学性能，可以得出污染腐蚀物含量的合理阈值区间以及对应的表面清洁度等级，如表6所示，如当某款发动机缸体(材料QT500-7)表面需激光熔覆修复，其修复涂层所需的力学性能为基准的95%时，可分别计算出最大维氏硬度和抗拉结合强度对应的可接受表面腐蚀物含量为0.109 mg/cm2及0.112 mg/cm2，从而选择其中的较小者(0.109 mg/cm2)为表面污染腐蚀物含量阈值，并查询相应的表面清洁度等级[22](Sa2)，用以指导再制造清洗工艺规划及装备选择。因此，在实际再制造工程中，通过分析毛坯表面污染物及其修复工艺来获取其不影响后续表面修复等过程的污染物分布，从而可制定合理的再制造毛坯表面清洁度工艺标准。同时，基于再制造毛坯表面污染物分布历史统计数据，可规划并选择具备统一工艺操作性的预处理工艺及装备，实现预处理工艺效率的提高，并优化再制造工艺成本。

表6 基于零部件服役时力学性能需求下再制造毛坯表面清洁度Tab.6 Surface cleanliness of the remanufacturing cores based on the mechanics properties requirements of parts in service

5 结论

(1)本文针对再制造毛坯表面污染腐蚀物影响修复涂层服役性能的问题，通过理论分析及实验数据，构建了基于再制造毛坯表面污染腐蚀物含量的修复涂层结构服役性能影响函数，并基于再制造修复涂层的服役性能需求，分析其再制造毛坯表面污染物的分布阈值区间，以进一步合理规划再制造毛坯预处理工艺过程。

(2)理论分析及对比实验结果表明：当基体表面无污染腐蚀物时，熔覆层和基体形成冶金结合，各项力学性能均最优。当污染腐蚀物的含量较少时，熔覆层和基体会产生渐变过渡的分界面，熔覆层的最大维氏硬度及抗拉结合强度有所降低，但其下降幅度有限(小于10%)；而当污染腐蚀物的含量继续增加时，熔覆层和基体的分界面较为明显，且出现尺寸较大的空洞和裂纹，熔覆层的表面硬度和结合强度均有较大幅度的下降(约30%)。

(3)基于污染腐蚀物含量对修复涂层力学性能(最大维氏硬度、抗拉结合强度)的影响函数，面向不同再制造修复涂层的力学性能需求，分析再制造毛坯表面污染腐蚀物含量的合理阈值区间，可得到预处理工艺规划参考依据(如清洁度等级等)，为零部件再制造工艺流程优化提供了技术及数据基础。

今后本研究应结合工程实际需求，结合污染物不同类型及其分布状态(衍生化合物、变性层、腐蚀深度等)，量化讨论其对后续再制造修复涂层的影响规律，为再制造毛坯表面清洁度的合理规划提供制定依据，进一步推进典型机电产品再制造零部件的毛坯预处理工艺的合理规划。