超音速火焰噴涂WC－17Co涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能研究

崔永靜，王長亮，湯智慧，張曉云

（北京航空材料研究院，北京100095）

超音速火焰噴涂WC－17Co涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能研究

崔永靜，王長亮，湯智慧，張曉云

（北京航空材料研究院，北京100095）

采用超音速火焰噴涂技術(shù)噴涂了兩種不同WC顆粒尺寸的WC－17Co粉末。對制備的兩種涂層的硬度、孔隙率、斷裂韌性、結(jié)合強度和電化學(xué)腐蝕行為進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：具有亞微米結(jié)構(gòu)WC顆粒的粉末制備的涂層，在硬度、孔隙率、斷裂韌性方面具有一定優(yōu)勢，而含有大顆粒WC相的粉末制備的涂層在結(jié)合強度、腐蝕行為方面優(yōu)勢明顯，這說明WC顆粒尺寸對涂層性能有顯著影響。

超音速火焰噴涂；WC；WC－Co涂層

超音速火焰噴涂（HVOF）工藝是20世紀(jì)80年代初期，由美國Browning Engineering公司推出的一種新型熱噴涂技術(shù)。HVOF的焰流溫度可達(dá)2700°C，焰流速度可達(dá)2000m／s。相對于等離子噴涂工藝來說，HVOF較低的焰流溫度和較高的焰流速度可以減少在噴涂過程中WC粉末顆粒的脫碳、氧化等反應(yīng)。因而，HVOF工藝制備的WC－Co涂層具有高硬度，低孔隙率，與基體結(jié)合強度高（＞70MPa）等優(yōu)點；與電鍍硬鉻涂層相比，耐磨性更好，對環(huán)境更加友好，對基體疲勞性能影響低。因此，在國內(nèi)外尤其是航空領(lǐng)域得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，已成為制備 WC－Co系列耐磨涂層的首選工藝［1，2］。

噴涂粉末的形態(tài)、噴涂設(shè)備和噴涂參數(shù)對涂層性能都有極大影響。有研究表明［3，4］，納米和亞微米結(jié)構(gòu)WC－Co涂層具有更高硬度和韌性，但是納米結(jié)構(gòu)涂層存在致命的脫碳問題，產(chǎn)生的脆性W2C相將對涂層在定載荷下的耐磨性能造成損害，相關(guān)研究一直是領(lǐng)域內(nèi)的熱點。

本工作針對兩種不同形態(tài)的 WC－17Co粉末，采用相同工藝參數(shù)制備HVOF涂層，通過對兩種涂層性能的對比，研究了不同粉末形態(tài)對涂層性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化噴涂參數(shù)和噴涂粉末提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 噴涂粉末及噴涂工藝參數(shù)

本實驗噴涂粉末選用不同公司生產(chǎn)的兩種團聚燒結(jié) WC－17%Co粉末，粉末粒徑分布相同，均為10～45μm。實驗中兩種粉末分別簡稱為粉末G和粉末H，兩種粉末制備的涂層分別簡稱為涂層G和涂層H。

鈦合金試片，尺寸為100mm×25mm×1mm，經(jīng)噴砂前處理后，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備涂層。燃?xì)鉃楸?，噴涂工藝參?shù)為氧氣流量19980L／h，丙烷流量4390L／h，空氣流量20000L／h，送粉速度45g／min，噴涂距離275mm。

1.2 測試方法

采用Quanta 600型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察粉末和涂層的顯微形貌，利用EDXS能譜儀分析涂層的化學(xué)成分，用X射線衍射技術(shù)分析粉末和涂層的相組成。

采用Struers Duramin型顯微硬度計測試涂層的顯微硬度，載荷為2.94N，加載時間15s，每個試樣測10個點，結(jié)果取10次的平均值。斷裂韌度測試時載荷為19.614N，每個試樣保證3個有效點。參照ASTMC 633—79標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行涂層結(jié)合強度的測試，用E－7膠將有涂層的試樣與對偶件噴砂后粘接，經(jīng)120℃固化4h后，拉伸法在JDL－50KN型萬能電子拉力機上測量涂層的結(jié)合強度，每種涂層由3個試樣組成。涂層孔隙率測試采用金相處理軟件，連續(xù)選取10張涂層截面圖譜分析求取平均值作為孔隙率值。

電化學(xué)實驗采用鋼試樣，尺寸為50mm×15mm×1mm。通過測量涂層在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)腐蝕行為來表征涂層的耐蝕性。電化學(xué)實驗采用三電極系統(tǒng)，參考電極選用飽和甘汞電極，輔助電極選用碳棒，非測試區(qū)用3M膠帶密封，測試區(qū)面積為1cm2，掃描速度為1mV／s，利用動電位極化曲線的Tafel區(qū)確定腐蝕電位和腐蝕電流密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴涂粉末的形貌

圖1為兩種粉末的掃描電子顯微（SEM）照片，圖1（a），（c）為兩種粉末的二次電子圖譜，圖1（b），（d）為相應(yīng)的背散射電子圖像。對比兩種粉末的二次電子圖像，呈現(xiàn)典型的團聚燒結(jié)形貌，可以發(fā)現(xiàn)G粉末的球形度更好，兩種粉末的粒徑基本相同。背散射圖譜顯示粉末的元素襯度，觀察發(fā)現(xiàn)H粉末內(nèi)部較為松散，且H粉末中大顆粒WC明顯較多，而G粉末WC顆粒較為細(xì)小，WC硬質(zhì)顆粒為亞微米至納米級。

圖1 兩種粉末的SEM 照片 （a），（b）G粉末；（c），（d）H 粉末Fig.1 SEM images of the two powders （a），（b）G powder；（c），（d）H powder

2.2 涂層的截面形貌與相組成

圖2為兩種粉末及其涂層的XRD圖譜，可見兩種涂層中均存在WC相，且與粉末中WC相晶體結(jié)構(gòu)保持一致。對比涂層和粉末的XRD圖譜，可以發(fā)現(xiàn)涂層中出現(xiàn) W2C峰，這是由于在噴涂過程中 WC不可避免出現(xiàn)脫碳反應(yīng)造成。H涂層的W2C峰強較低，表明H涂層脫碳程度比G涂層要低。同時可以發(fā)現(xiàn)相對于粉末中尖銳的Co峰，涂層中的Co峰呈現(xiàn)漫散狀態(tài)，表明Co相在噴涂過程中存在非晶化轉(zhuǎn)變，細(xì)致觀察可以發(fā)現(xiàn)在涂層45°附近區(qū)域存在漫散峰，分析認(rèn)為可能是W－C－Co三元素形成的固溶體相。

涂層的SEM圖譜如圖3所示，可以看到超音速火焰噴涂兩種涂層組織均勻、細(xì)密，與基體界面無明顯孔隙、夾雜物等，界面結(jié)合良好。圖中橢圓框內(nèi)為孔隙，白色亮點為WC顆粒，其間淺灰色相為富Co相?？梢郧宄乜吹紾涂層內(nèi)部WC細(xì)小，分布較為均勻，涂層呈現(xiàn)典型的層狀結(jié)構(gòu)，在層間分布有較多孔隙。H涂層明顯打破了這種層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在較多大顆粒WC，這可能是在噴涂過程中熔點較低的Co相發(fā)生熔化，噴涂過程中相互碰撞形成堆積層，而具有較大動能的未熔WC顆粒打斷了這種堆積，嵌入到層之間從而形成了H涂層的結(jié)構(gòu)。

圖2 兩種粉末及其涂層的XRD圖譜Fig.2 XRD images of the two powders and their coatings

2.3 涂層性能對比

2.3.1 硬度與孔隙率

從圖3可以看出兩種涂層都非常致密，金相分析法測量兩種涂層的孔隙率分別為0.37%和0.75%，均小于1%。兩種涂層的硬度值如圖4所示，G涂層硬度為HV1198比H涂層HV1031高約15%。

圖3 兩種涂層的截面SEM 照片 （a），（b）G涂層；（c），（d）H 涂層Fig.3 Cross sectional images of the two coatings （a），（b）G coating；（c），（d）H coating

圖4 兩種涂層顯微硬度和孔隙率對比Fig.4 Porosity and micro－h(huán)ardness comparisons of the two coatings

采用壓痕法表征涂層的斷裂韌性，采用金剛石維氏壓頭，載荷為19.614N，測得3個壓痕裂紋平均值計算斷裂韌度。壓痕形貌見圖5所示，可以看到裂紋沿與涂層界面平行方向發(fā)展，在WC硬質(zhì)顆粒處終止。裂紋參數(shù)見表1。0.6＜c／a＜4.5，符合Evans ＆Wilshaw［5］公式的使用條件，公式如下：

其中KIC為斷裂韌度，P為載荷，a為壓痕半對角線長，c為壓痕中心到裂紋尖端長。

H涂層的斷裂韌度為3.33MPa·m0.5，小于G涂層4.85MPa·m0.5，顯然G涂層中均勻分布的亞微米至納米級的WC顆粒起到了韌化的效果。觀察裂紋擴展路徑，可以發(fā)現(xiàn)H涂層裂紋沿涂層中的富Co相區(qū)發(fā)展，這可能是Co相在噴涂過程中發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)脆化降低涂層韌度導(dǎo)致的；對于G涂層，除去壓痕尖端裂紋外，還發(fā)現(xiàn)另外兩條裂紋（如圖5中箭頭所示），在大載荷作用下，裂紋明顯沿層狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，表明涂層層間結(jié)合較弱，這對涂層使用非常不利。通過后處理能否消除H涂層的非晶化轉(zhuǎn)變以及如何改善G涂層的層間結(jié)合力將會是下一步的工作重點。

圖5 兩種涂層壓痕形貌SEM圖譜 （a）G涂層；（b）H涂層Fig.5 SEM images showing indentation crack of the two coatings（a）G coating；（b）H coating

表1 19.614N載荷下涂層的斷裂參數(shù)Table 1 Fracture toughness parameters of the coatings under load of 19.614N

2.3.2 結(jié)合強度

參考ASTMC633標(biāo)準(zhǔn)，測得的兩種涂層的結(jié)合強度如表2所列，測試可以發(fā)現(xiàn)H涂層結(jié)合強度達(dá)到84.8MPa，顯著大于G涂層，且各試樣均為膠界面斷裂。G涂層結(jié)合強度波動較大，結(jié)合前面分析認(rèn)為G涂層層間結(jié)合力較低影響涂層的整體結(jié)合強度。涂層結(jié)合力的大小與顆粒的熔化狀態(tài)有關(guān)，局部半熔化狀態(tài)的顆粒顯示較高結(jié)合力，同時局部融化狀態(tài)的顆粒在高速焰流的作用下對基體產(chǎn)生噴丸效應(yīng)，導(dǎo)致壓應(yīng)力的產(chǎn)生，亦有利于結(jié)合力的增加。對于G粉末WC顆粒較小，粉末融化狀態(tài)較高，且噴丸效應(yīng)較小，形成G涂層層狀結(jié)構(gòu)，層間分布的孔隙導(dǎo)致結(jié)合力較為脆弱，易發(fā)生斷裂，因此結(jié)合強度較低。

表2 涂層的結(jié)合強度Table 2 Adhesive strength of the coatings

2.3.3 腐蝕行為

動電位掃描極化曲線如圖6所示，采用Tafel外推法確定腐蝕電位Ec和腐蝕電流密度Ic，結(jié)果見表3所示?？梢娙吒g電位的排序為G涂層＞基體＞H涂層，表明H涂層傾向于優(yōu)先于基體發(fā)生腐蝕，而對于G涂層則傾向于基體優(yōu)先發(fā)生腐蝕。G涂層的腐蝕電流密度要大于H涂層，由于兩涂層孔隙率較低且均不存在裂紋或通孔，因此可以認(rèn)為極化曲線反映涂層的本征腐蝕抗力。G涂層孔隙率雖然較低，但與H涂層不同，它孔隙大多出現(xiàn)在層間，孔隙較容易集中形成微裂紋，有研究表明［6，7］微裂紋的存在對腐蝕性能有較大影響。

圖6 兩種涂層的極化曲線Fig.6 Polarization curves of the two coatings

表3 外推法測得的腐蝕參數(shù)Table 3 Corrosion parameters estimated from the polarization curves

3 結(jié)論

（1）HVOF噴涂具有亞微米結(jié)構(gòu)WC顆粒的G粉末，獲得的涂層呈典型的層狀結(jié)構(gòu)，涂層硬度更高，孔隙率更低，同時涂層斷裂韌度較大，但是層間結(jié)合力低，脫碳趨勢較大。

（2）對于 WC顆粒粒徑較大的H粉末，在噴涂過程中噴丸效應(yīng)顯著，涂層層狀結(jié)構(gòu)減弱，涂層結(jié)合強度提高，表面殘余壓應(yīng)力較大，耐蝕性能更好。

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Microstructure and Performance of WC－17Co Coatings Fabricated by High Velocity Oxy－fuel Spraying

CUI Yong－jing，WANG Chang－liang，TANG Zhi－h(huán)ui，ZHANG Xiao－yun
（Beijing Institute of Aeronautical Material，Beijing 100095，China）

Different structural WC－17Co coatings were deposited by high velocity oxy－fuel（HVOF）spraying.The properties of the two coatings were tested，and the effect of WC size on the performance of the coatings was investigated.The results indicated that G coating，which had submicron WC particle，showed more advantages in hardness，porosity，and fracture toughness，while H coating with bigger WC particle had excellent performance in adhesive strength and corrosion resistance.Obviously，the WC particle size showed great influence to the coating properties.

HVOF；WC；WC－Co coating

TG174.442

A

1001－4381（2011）11－0085－04

2010－12－09；

2011－07－05

崔永靜（1984－），男，碩士研究生，從事熱噴涂技術(shù)方面的研究工作，聯(lián)系地址：北京航空材料研究院表面腐蝕與防護(hù)研究室（100095），E－mail：cuiyongjing＠126.com