鋁青銅表面激光熔覆陶瓷涂層：NiAl-B?O?體系使耐磨粒磨損性能提升 4 倍

鋁青銅憑借出色的強(qiáng)度、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性，成為制造齒輪、軸承、閥門等工業(yè)零件的常用材料，在礦山機(jī)械、船舶制造、冶金設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但在面對砂石、礦石等硬質(zhì)顆粒的長期沖刷時，它的耐磨粒磨損性能卻不盡如人意。比如礦山破碎機(jī)的鋁青銅襯板，往往使用不到半年就會因表面嚴(yán)重磨損而報(bào)廢，不僅增加了更換成本，還會因停機(jī)維修影響生產(chǎn)進(jìn)度。而激光熔覆技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一難題提供了新思路 —— 在鋁青銅表面熔覆一層 NiAl-B?O?陶瓷涂層后，其耐磨粒磨損性能提升了 4 倍，讓原本脆弱的零件表面變成了抗磨損的 “銅墻鐵壁”。

鋁青銅的 “軟肋”：耐磨粒磨損能力不足

在工業(yè)生產(chǎn)中，許多鋁青銅零件都要與硬質(zhì)顆粒打交道。以選礦廠的攪拌槽為例，槽內(nèi)的鋁青銅葉輪需要不斷攪拌含有石英砂的礦漿，砂粒持續(xù)撞擊、摩擦葉輪表面，時間一長，葉輪邊緣就會被磨得越來越薄，甚至出現(xiàn)缺口。某選礦廠的負(fù)責(zé)人曾無奈地表示：“以前每月都要換一次攪拌葉輪，每次更換都得停產(chǎn)大半天，光零件和人工成本就要花上萬元?！?/p>

鋁青銅的這種 “脆弱” 源于其自身的材質(zhì)特性。它的硬度相對較低，布氏硬度通常在 100-150HB 之間，面對硬度高達(dá) 600-800HB 的石英砂等顆粒時，表面很容易被劃傷、犁削，進(jìn)而出現(xiàn)材料剝落。傳統(tǒng)的表面處理方式，如電鍍硬鉻，雖然能在一定程度上提高表面硬度，但鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，在劇烈磨損環(huán)境下容易脫落，使用壽命往往不超過 3 個月。

激光熔覆：給鋁青銅穿上 “陶瓷鎧甲”

激光熔覆技術(shù)就像一位精密的 “外科醫(yī)生”，通過高能量激光束將預(yù)置在鋁青銅表面的 NiAl-B?O?粉末與基體表面薄層同時熔化，隨后快速凝固，形成一層與基體冶金結(jié)合的陶瓷涂層。這層涂層厚度通常在 0.3-2 毫米之間，既不會過多增加零件重量，又能為鋁青銅提供強(qiáng)大的保護(hù)。

與傳統(tǒng)的熱噴涂等技術(shù)相比，激光熔覆的優(yōu)勢十分明顯。熱噴涂形成的涂層與基體是機(jī)械結(jié)合，就像用膠水粘上去的一層 “殼”，容易在沖擊作用下開裂、剝落;而激光熔覆形成的涂層與基體是原子級別的結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá) 300MPa 以上，相當(dāng)于能承受 30 公斤力作用在每平方毫米的面積上而不脫落。某機(jī)械加工廠的技術(shù)員說：“我們曾對激光熔覆的零件進(jìn)行沖擊測試，用重錘反復(fù)敲打涂層表面，它都牢牢地‘粘’在鋁青銅上，這是以前的處理工藝做不到的?！?/p>

NiAl-B?O?體系：耐磨性能的 “黃金搭檔”

NiAl-B?O?陶瓷涂層之所以能讓鋁青銅的耐磨粒磨損性能提升 4 倍，關(guān)鍵在于兩種成分的巧妙配合。NiAl 金屬間化合物具有較高的強(qiáng)度和韌性，能像 “骨架” 一樣支撐整個涂層，抵抗顆粒的沖擊力;而 B?O?陶瓷顆粒硬度高達(dá) 1500-2000HV，相當(dāng)于剛玉的硬度，能像 “盾牌” 一樣阻擋顆粒的切削和犁削。

在磨損測試中，未處理的鋁青銅試樣在經(jīng)過 1000 轉(zhuǎn)的磨損試驗(yàn)后，表面會出現(xiàn)明顯的深溝和大塊剝落，磨損量達(dá) 0.8mm3;而熔覆了 NiAl-B?O?涂層的試樣，表面只有輕微的劃痕，磨損量僅為 0.2mm3。某礦山企業(yè)將這種涂層應(yīng)用在破碎機(jī)的鋁青銅顎板上，原本需要每月更換的顎板，現(xiàn)在可以連續(xù)使用 4 個月以上，每年節(jié)省的零件成本超過 10 萬元。

涂層制備的 “精細(xì)操作”

要得到性能優(yōu)異的 NiAl-B?O?涂層，激光熔覆過程中的每一個參數(shù)都需要精確控制：

激光功率：一般控制在 1500-2500W 之間。功率太低，粉末和基體無法充分熔化，涂層結(jié)合不牢固;功率太高，則會導(dǎo)致鋁青銅基體過熱，產(chǎn)生變形或裂紋。某實(shí)驗(yàn)室通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于厚度 5 毫米的鋁青銅板，2000W 的激光功率能達(dá)到最佳效果。

掃描速度：通常設(shè)定為 3-8mm/s。速度過快，涂層熔化不充分，容易出現(xiàn)孔隙;速度過慢，會使熱影響區(qū)擴(kuò)大，影響基體性能。一家零件加工廠采用 5mm/s 的掃描速度，制備出的涂層孔隙率低于 1%，大大提高了耐磨性。

粉末配比：NiAl 與 B?O?的比例一般為 7:3 到 8:2.B?O?含量過高，涂層會變得脆性過大，容易開裂;含量過低，則耐磨效果不明顯。實(shí)踐表明，當(dāng)兩者比例為 7.5:2.5 時，涂層的硬度和韌性達(dá)到平衡，耐磨性能最佳。

實(shí)際應(yīng)用中的 “多面手”

NiAl-B?O?涂層的高耐磨性讓它在多個領(lǐng)域大顯身手：

礦山機(jī)械：除了破碎機(jī)顎板，在刮板輸送機(jī)的鋁青銅鏈條、振動篩的篩板等零件上應(yīng)用該涂層后，使用壽命均延長了 3-4 倍，減少了因停機(jī)維修造成的生產(chǎn)損失。

船舶工業(yè)：船舶的螺旋槳常因海水夾帶的泥沙顆粒而磨損，采用激光熔覆涂層后，螺旋槳的耐磨壽命顯著提升，降低了船舶進(jìn)塢維修的頻率。

冶金設(shè)備：在軋機(jī)的鋁青銅導(dǎo)衛(wèi)板上熔覆該涂層后，能更好地抵抗高溫鋼坯帶來的磨損和氧化，使導(dǎo)衛(wèi)板的更換周期從 1 個月延長到 4 個月。

與其他涂層的 “實(shí)力比拼”

和其他常見的表面處理技術(shù)相比，NiAl-B?O?涂層的優(yōu)勢十分突出：

比電鍍硬鉻：電鍍硬鉻涂層的硬度約為 800HV，且與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，在沖擊載荷下容易起皮脫落;而 NiAl-B?O?涂層的硬度可達(dá) 1200-1500HV，結(jié)合強(qiáng)度更高，耐磨性能是電鍍硬鉻的 3-4 倍。

比熱噴涂陶瓷涂層：熱噴涂涂層存在較多孔隙，耐磨性和結(jié)合強(qiáng)度都不如激光熔覆涂層。某測試顯示，在相同的磨損條件下，熱噴涂 Al?O?涂層的磨損量是 NiAl-B?O?激光熔覆涂層的 2.5 倍。

比滲碳處理：滲碳能提高鋁青銅的表面硬度，但處理溫度高，容易導(dǎo)致零件變形，且耐磨粒磨損性能提升有限，僅為激光熔覆涂層的 1/3 左右。

推廣應(yīng)用的 “小挑戰(zhàn)”

雖然 NiAl-B?O?涂層性能優(yōu)異，但在推廣過程中也面臨一些問題：

成本較高：激光熔覆設(shè)備的初期投資較大，單臺設(shè)備價(jià)格通常在幾十萬元，這讓一些中小型企業(yè)望而卻步。不過從長期來看，涂層帶來的壽命延長和成本節(jié)約能彌補(bǔ)初期投入。

復(fù)雜形狀零件處理難：對于一些具有復(fù)雜內(nèi)腔、深孔的鋁青銅零件，激光束難以均勻照射到所有表面，影響涂層質(zhì)量。目前，通過開發(fā)機(jī)器人輔助激光熔覆系統(tǒng)，這一問題正在逐步解決。

工藝參數(shù)敏感：激光熔覆對操作技能要求較高，參數(shù)設(shè)置稍有偏差就可能影響涂層性能。加強(qiáng)對操作人員的培訓(xùn)，制定標(biāo)準(zhǔn)化的工藝規(guī)程，能有效提高涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性。

未來發(fā)展的 “新方向”

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，NiAl-B?O?涂層還有很大的提升空間：

復(fù)合涂層開發(fā)：研究者正在嘗試在涂層中加入少量納米級的 TiC、SiC 等顆粒，進(jìn)一步提高涂層的硬度和耐磨性，有望將耐磨粒磨損性能再提升 1-2 倍。

智能化生產(chǎn)：通過引入機(jī)器視覺和傳感器，實(shí)時監(jiān)測熔覆過程中的溫度、熔池狀態(tài)等參數(shù)，并通過人工智能算法自動調(diào)整激光功率和掃描速度，實(shí)現(xiàn)涂層質(zhì)量的精準(zhǔn)控制。

環(huán)保改進(jìn)：目前使用的部分粉末材料含有易揮發(fā)成分，未來將開發(fā)更環(huán)保的粉末配方，減少熔覆過程中的有害氣體排放，讓這項(xiàng)技術(shù)更加綠色環(huán)保。

鋁青銅表面激光熔覆 NiAl-B?O?陶瓷涂層技術(shù)，通過材料科學(xué)與先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合，成功解決了鋁青銅耐磨粒磨損性能不足的難題。4 倍的耐磨性能提升不僅帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也為工業(yè)零件的長壽命、高可靠性運(yùn)行提供了有力保障。隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，這項(xiàng)技術(shù)必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展注入新動力。