含潤(rùn)滑相的超音速噴涂WC復(fù)合涂層性能研究

王志平，路鵬程

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

含潤(rùn)滑相的超音速噴涂WC復(fù)合涂層性能研究

王志平，路鵬程

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

采用超音速火焰噴涂方法，以傳統(tǒng)粉末WC-10Co-4Cr為基體，添加MoS2制備WC-10Co-4Cr/MoS2自潤(rùn)滑復(fù)合涂層；利用SEM和XRD對(duì)比分析了添加不同含量MoS2的涂層微觀組織結(jié)構(gòu)和物相；重點(diǎn)進(jìn)行了磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，研究MoS2對(duì)超音速噴涂WC涂層摩擦學(xué)特性的影響機(jī)理；測(cè)試了其顯微硬度。結(jié)果表明：引入的MoS2少部分轉(zhuǎn)化成新態(tài)，其余則進(jìn)入WC涂層空隙中，其顯微硬度與未添加MoS2涂層相比略有降低；相同試驗(yàn)條件下，含MoS2涂層有效地降低了磨粒磨損質(zhì)量損失，提高了涂層的耐磨性；WC-10Co-4Cr/ MoS2復(fù)合涂層具有很好的自潤(rùn)滑性，MoS2質(zhì)量百分含量為15％時(shí)WC-10Co-4Cr/MoS2復(fù)合涂層的摩粒磨損性能最佳。

HVOF；磨粒磨損；MoS2；復(fù)合涂層

現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中機(jī)械裝置正朝高性能方向發(fā)展。許多工程機(jī)械結(jié)構(gòu)需在高溫、高壓、高速等極端物理載荷或環(huán)境條件下工作，故服役一段時(shí)間將產(chǎn)生失效破壞。零部件的失效方式主要有斷裂、表面損傷（磨損、腐蝕）和過量變形等3種。其中表面失效是零部件的重要失效形式，而在表面失效中，磨損占有60％～ 80％，磨料磨損在磨損失效中占50％[1]。目前，熱噴涂技術(shù)已成為解決各種機(jī)械零部件耐磨、耐蝕性能等表面強(qiáng)化技術(shù)的有效方法，可延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的壽命[2]；熱噴涂WC金屬陶瓷作為耐磨涂層，由于其高的硬度和良好的韌性廣泛地應(yīng)用于航空航天、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域[3-8]。因此，本文主要利用超音速噴涂技術(shù)以傳統(tǒng)粉末WC-10Co-4Cr為基體，添加固體潤(rùn)滑相制備形成復(fù)合自潤(rùn)滑涂層材料，進(jìn)一步改善WC涂層的機(jī)械性能；系統(tǒng)地研究潤(rùn)滑相對(duì)超音速噴涂WC涂層摩擦學(xué)特性的影響及潤(rùn)滑相在復(fù)合涂層中的減磨機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用了傳統(tǒng)的WC-10Co-4Cr粉末和粒度為1～6 μm的MoS2粉末，MoS2粉末純度大于96％。采用PVA將2種粉末進(jìn)行混合、造粒，烘干后過篩制成4種配方的混合粉末。粉末中潤(rùn)滑相的組分質(zhì)量百分含量為：W（MoS2）=0％、10％、15％、20％，如圖1所示?？梢钥闯鯩oS2包覆和粘接在WC顆粒上，有少部分的MoS2粉末在混合過程中已進(jìn)入了WC顆?？紫吨?。WC粉末成分如表1所示?；w材料選用45#鋼。

圖14 種不同組分復(fù)合粉末形貌Fig.1Morphology of four different components of composite powder

表1 噴涂粉末參數(shù)Tab.1Spraying powder parameters

1.2 涂層制備

采用JP5000型液體燃料-氧氣超音速火焰噴涂設(shè)備，為保證工藝的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中利用ABB公司生產(chǎn)的2400M型六軸機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)化噴涂，該機(jī)械手運(yùn)行平穩(wěn)精確，能控制噴涂的速度和距離。分別選用合適的工藝參數(shù)（如表2所示）在45#鋼基體上制備涂層。為保證45#鋼基體表面的清潔和涂層的結(jié)合強(qiáng)度，噴涂前對(duì)基體進(jìn)行丙酮清洗和噴砂處理，砂粒為24目的白剛玉，噴砂壓力為0.4 MPa，噴砂時(shí)間20 s。

表2 超音速火焰噴涂工藝參數(shù)Tab.2High velocity oxygen fuel spraying process parameters

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 涂層組織及成分分析

采用Quanta FEG250型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行涂層顯微組織觀察；利用D/MAX-2500型X射線多晶衍射儀對(duì)涂層進(jìn)行物相分析，衍射條件為Cu靶，λ=0.154 nm，掃描范圍為20°～80°。管壓35 kV，管流30 mA，積分時(shí)間0.2 s，采樣間隔0.02 s。

1.3.2 顯微硬度測(cè)試

對(duì)尺寸為15 mm×15 mm×5 mm的涂層試樣進(jìn)行金相制備，然后利用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度，試驗(yàn)加載力為4.9N，保持時(shí)間為20s，壓頭為正方形為底的金字塔形狀金剛石壓頭，平面角為136°。在涂層上均勻分布測(cè)試涂層截面上10個(gè)點(diǎn)的顯微硬度，取統(tǒng)計(jì)值。

1.3.3 耐磨性能測(cè)試

參照ASTM65-04標(biāo)準(zhǔn)，磨粒磨損試驗(yàn)在ML-200型干式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，室溫25℃，試驗(yàn)?zāi)チ喜捎?0～70目SiO2砂，流速為300～400 g/min，轉(zhuǎn)速為200 r/min，加載載荷為130 N，試驗(yàn)進(jìn)行13輪，每輪400 r，共計(jì)5 200 r。將磨損后試樣洗凈、烘干后，采用精度為0.0001g的FA1004型電子分析天平稱量，并計(jì)算出磨損失重；用掃描電鏡觀察磨損表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層組織微觀結(jié)構(gòu)

圖2所示為潤(rùn)滑相質(zhì)量百分含量不同的4種超音速火焰噴涂復(fù)合涂層的微觀組織形貌（SEM）。從圖中可以看出，涂層與基體結(jié)合緊密，灰白色整體分布的為WC基體。從圖2可以看出，不含潤(rùn)滑相的涂層有較多的孔隙；含潤(rùn)滑相的涂層有較高的致密性，因?yàn)槌驶液谏臐?rùn)滑相均勻、彌散的分布在WC涂層空隙中，且隨著潤(rùn)滑相質(zhì)量百分含量的增多，涂層的致密性明顯提高，潤(rùn)滑相的分布也越來越明顯，出現(xiàn)部分的團(tuán)聚，呈條帶狀分布。

圖3為復(fù)合涂層的X-ray物相分析圖譜，從分析中可以看出，復(fù)合涂層中有潤(rùn)滑相的存在，且有少部分的潤(rùn)滑相發(fā)生分解轉(zhuǎn)化為新相WMoC2和MoC；隨著潤(rùn)滑相的質(zhì)量百分含量的增多，圖譜中潤(rùn)滑相的衍射峰值也對(duì)應(yīng)增高，表明復(fù)合涂層中潤(rùn)滑相的含量也增多；這在圖1的SEM中潤(rùn)滑相的分布中也可以得到印證，隨著潤(rùn)滑相百分含量增多，出現(xiàn)了潤(rùn)滑相的分布不均勻和團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖24 種不同組分涂層微觀形貌Fig.2Four coating microstructures of different components

2.2 涂層顯微硬度

顯微硬度值如表3所示，從中可看出，不同配方粉末復(fù)合涂層的顯微硬度略有不同，不加MoS2的涂層顯微硬度為1 155 HV，加MoS2的涂層顯微硬度略有降低，且當(dāng)MoS2質(zhì)量百分含量為20％時(shí)顯微硬度為928 HV，變化較大。說明涂層材料中含MoS2的量偏多，不能有效改善涂層性能，圖2（d）也證明了MoS2填充在WC基體空隙中，且有少部分多余的出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，呈條帶狀分布。涂層的顯微硬度是晶粒和晶粒邊界的平均硬度，因此，過多的MoS2使涂層顯微硬度降低。

圖34 種涂層XRD衍射圖譜Fig.3XRD patterns of four coatings

2.3 復(fù)合涂層摩擦磨損性能分析

分別對(duì)不同質(zhì)量百分含量潤(rùn)滑相的復(fù)合涂層進(jìn)行了磨粒磨損試驗(yàn)，磨損失重曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，含潤(rùn)滑相涂層在磨損過程中質(zhì)量損失明顯低于傳統(tǒng)WC-10Co-4Cr涂層，當(dāng)潤(rùn)滑相質(zhì)量百分含量為15％時(shí)，涂層的磨損率最低。經(jīng)過13輪共5 200 r的磨損后，不含潤(rùn)滑相涂層試樣的總磨損量約為MoS2含量為15％涂層試樣磨損量的2倍。這是由于MoS2是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的晶體,層與層之間剪切力特別小。當(dāng)被適量加入脆性WC陶瓷涂層中時(shí)，潤(rùn)滑相會(huì)和WC很好復(fù)合，使復(fù)合涂層材料既有高的強(qiáng)度和韌性，又能在磨損過程中起到潤(rùn)滑及自潤(rùn)滑作用，減小摩擦系數(shù)，提高涂層的摩擦學(xué)特性。同時(shí)圖4也表明了復(fù)合涂層材料中潤(rùn)滑相的百分含量過多或過少時(shí)，都不能夠有效地改善涂層磨粒磨損性能。當(dāng)MoS2質(zhì)量百分含量為10％時(shí)，復(fù)合涂層中的潤(rùn)滑相不能很好的與WC顆粒復(fù)合，發(fā)揮不了其自潤(rùn)滑性能；當(dāng)MoS2含量為20％時(shí)，由于潤(rùn)滑相百分含量的偏多，使其在涂層空隙中團(tuán)聚和條帶狀分布，導(dǎo)致復(fù)合涂層材料的強(qiáng)度和硬度下降，最終惡化涂層的摩擦磨損性能。

表34 種配方涂層顯微硬度Tab.3Microscopic hardnesses of four formulas coatings

圖44 種涂層磨粒磨損質(zhì)量損失-時(shí)間關(guān)系圖Fig.4Abrasive wear mass loss-time diagrams of four coatings

2.4 潤(rùn)滑相對(duì)涂層耐磨性的影響

圖5分別是WC-10Co-4Cr/MoS2復(fù)合涂層（MoS2質(zhì)量百分含量分別為0％、10％、15％、20％）磨粒磨損表面的掃描電鏡（SEM）照片。從涂層磨損表面低倍磨損微觀形貌（如圖5（a）～（d）所示）可看出，經(jīng)磨粒磨損后的4種復(fù)合涂層表面沒有明顯的劃痕、犁溝和凹坑，磨損表面都比較平整，這說明4種復(fù)合涂層在磨粒磨損過程中主要的磨損形式是均勻的磨耗磨損。而從4種復(fù)合涂層經(jīng)過磨粒磨損的高倍磨損表面形貌（如圖5（a1）～（d1）所示）中可看出，不含潤(rùn)滑相的涂層（如圖5（a1）所示），經(jīng)磨粒磨損后，WC顆粒周圍的結(jié)合相表面有磨損留下的較淺犁溝和凹坑，并且這些犁溝在遇到WC顆粒時(shí)終止。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的磨損，部分WC顆粒周圍的粘結(jié)相被磨耗完，使得WC顆粒孤立出來（如被標(biāo)記為A的WC顆粒），還有部分WC顆粒已脫落（如被標(biāo)記為B的區(qū)域），甚至有少量的WC顆粒出現(xiàn)裂紋，發(fā)生破裂。這證明了不含潤(rùn)滑相的WC涂層的微觀磨損機(jī)理為：在磨粒磨損過程中，首先是涂層中的結(jié)合相被磨削、擠壓和切削掉，使得WC顆粒突出，隨著磨損過程的繼續(xù)，突出的WC顆粒在磨粒的連續(xù)撞擊和滾壓下發(fā)生疲勞破損；最后WC顆粒與粘結(jié)相發(fā)生剝離、脫落。當(dāng)引入MoS2后，從MoS2質(zhì)量百分含量為15％的涂層（如圖5（c1）所示）可看出，在磨損過程中，固體潤(rùn)滑劑對(duì)涂層粘結(jié)相、WC顆粒和磨粒（SiO2）相對(duì)表面形成一層較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，起到潤(rùn)滑和減摩的效果；同時(shí)也鈍化磨粒（SiO2）的棱角，使磨粒對(duì)涂層的切削作用進(jìn)一步降低。這樣，使得復(fù)合涂層在整個(gè)磨損過程中僅僅以均勻的磨耗磨損形式進(jìn)行，使WC涂層的耐磨性能明顯提高。當(dāng)MoS2質(zhì)量百分含量為10％時(shí)，從圖5（b1）中可以看出WC與MoS2不能很好復(fù)合，磨損形式與不含潤(rùn)滑相的相似，不能起到很好的減磨效果。MoS2質(zhì)量百分含量為20％時(shí)，MoS2過多，多余的MoS2會(huì)導(dǎo)致復(fù)合涂層材料的機(jī)械性能下降，從圖5（d1）可看出在磨損過程中，涂層粘結(jié)相被均勻磨去，部分WC顆粒也發(fā)生脫落，抗磨粒磨損性能變差。故當(dāng)MoS2質(zhì)量百分含量為15％時(shí)WC-10Co-4Cr/MoS2自潤(rùn)滑復(fù)合涂層有最好的耐磨性能。

圖5 WC/MoS2復(fù)合涂層磨損表面SEM形貌Fig.5SEM morphologies of worn surface of different composite WC/MoS2coatings

3 結(jié)語(yǔ)

1）成功制備WC-10Co-4Cr/MoS2自潤(rùn)滑復(fù)合涂層，涂層與基體結(jié)合緊密，無裂紋；復(fù)合涂層中潤(rùn)滑相復(fù)合在涂層的空隙中，有少量的潤(rùn)滑相（MoS2）分解，形成新相WMoC2和MoC。

2）潤(rùn)滑相（MoS2）的引入，明顯提高了涂層致密性；含潤(rùn)滑相涂層的顯微硬度略低于傳統(tǒng)WC涂層；使WC涂層磨損機(jī)制由切削、剝離變?yōu)榫鶆蚰ズ哪p。

3）在復(fù)合涂層中潤(rùn)滑相的質(zhì)量百分含量為15％時(shí)，潤(rùn)滑相能與涂層很好的復(fù)合，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡且復(fù)合涂層最致密，能最佳地提高涂層的磨粒磨損性能，使其主要磨粒磨損形式為均勻磨耗磨損。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Study on performance of HVOF WC composite coating with lubrication phase

WANG Zhi-ping，LU Peng-cheng
（Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，CAUC，Tianjin 300300，China）

By adding MoS2in WC-10Co-4Cr matrix，the WC-10Co-4Cr/MoS2matrix self-lubricating composite coating are prepared by HVOF.The microstructure and material phases of coatings adding different content of MoS2are analysed comparatively with SEM and XRD.Focusing on the abrasive wear experiments，the mechanism of MoS2 on the tribological properties of HVOF WC coating and its microhardness are studied and tested respectively. The results show that a small part of the added MoS2transforms into a new state and the rest of it enters into the WC coating gap，then the coatings microhardness is slightly lower.The abrasive wear mass loss and wear resistance of the coating containing MoS2are effectively reduced and improved respectively under the same experimental conditions.WC-10Co-4Cr/MoS2composite coating has a good performance of self-lubricating，and the grain friction and wear properties of WC-10Co-4Cr/15wt.％MoS2matrix self-lubricating composite coating become the best.

HVOF；abrasive wear；MoS2；composite coating

TG174.442

A

1674-5590（2013）03-0054-04

2012-09-01；

2012-11-06

中國(guó)民航大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YJSCX12-24）

王志平（1963—），男，遼寧朝陽(yáng)人，教授，博士，研究方向?yàn)闊釃娡考昂附?