超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層的性能表征

陳志坤，張忠誠(chéng)，朱暉朝，黃 健，陳煥濤，吳 健，倪偉邦

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650

超音速火焰噴涂工藝可在工件表面制備耐磨、耐腐蝕涂層，能夠大幅度提高工件的使用壽命，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、冶金及造紙等行業(yè)中[1-5].超音速火焰噴涂的噴距較遠(yuǎn)，槍體較大，一般只能用于工件外表面及較大直徑的工件內(nèi)表面的涂層制備，無(wú)法對(duì)中小孔徑的內(nèi)表面進(jìn)行噴涂.內(nèi)孔熱噴涂具有噴涂距離短、功率小、槍體緊湊的特點(diǎn)，能夠在如缸套、缸體等深內(nèi)孔工件內(nèi)表面制備耐磨、耐腐蝕涂層[6-13].

內(nèi)孔超音速火焰噴涂(ID-HVAF)與常規(guī)超音速火焰噴涂(HVAF)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上的差別，使得所制備涂層的組織及性能產(chǎn)生一定的不同.本文采用ID-HVAF和HVAF工藝制備WC-10Co-4Cr涂層，并對(duì)兩種工藝所制備的WC-10Co-4Cr涂層的組織結(jié)構(gòu)和涂層性能進(jìn)行分析，從而為ID-HVAF噴涂的應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試 樣

試樣的基體材料為304不銹鋼鋼板.噴涂前用丙酮對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗除油，以及噴砂處理.噴砂砂粒為24號(hào)棕剛玉，噴砂壓力為0.4 MPa.WC-10Co-4Cr噴涂粉末粒度為5～30 μm，粉末成份列于表1，粉末的顯微形貌如圖1所示.

表1 噴涂粉末的化學(xué)組成成分Table 1 Chemical compositions of the spraying powders

圖1 WC-10Co-4Cr粉末形貌圖Fig.1 Micrograph of the WC-10Co-4Cr powder

1.2 方 法

內(nèi)孔超音速火焰噴涂采用AK04噴槍，超音速火焰噴涂采用AK07噴槍，二者均為為美國(guó)Kermetico公司的產(chǎn)品.ID-HVAF噴槍的功率約為38 kW，HVAF噴槍的功率約為200 kW.超音速火焰噴涂參數(shù)列于表2.

表2 超音速火焰噴涂參數(shù)Table 2 Spray parameters of ID-HVAF and HVAF

在GP-TS2000M型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行杯突和結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，杯突樣品的涂層厚度為0.08～0.1 mm，樣品杯突規(guī)格為76 mm×44 mm×1.3 mm，用Ф20 mm的鋼球，以6 mm/min的速度向杯突板無(wú)涂層面壓入10 mm的深度，壓完后觀察突出部分的表面情況.結(jié)合強(qiáng)度樣品的涂層厚度為0.2 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C633進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試.涂層的耐磨性在NUS-ISO3型磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，使用320號(hào)SiC砂紙帶，壓力為30 N，往復(fù)速率為40次/min.砂紙輪轉(zhuǎn)動(dòng)一次的角度為0.9 °，轉(zhuǎn)動(dòng)一周樣品即往復(fù)磨損400回，磨損完成一遍后用壓縮空氣吹干樣品表面，用精度為0.1 mg的分析天平測(cè)量一次磨損失重，每個(gè)樣品磨損10遍，以計(jì)算其磨損失重的平均值.

用Leica DMIRM金相顯微鏡和JSM5910 SEM掃描電子顯微鏡觀察涂層組織的形貌，用D/MAX-RC型X射線衍射儀對(duì)涂層的物相成分進(jìn)行表征，用MH-5D數(shù)字維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度.

2 結(jié)果與分析

2.1 組織結(jié)構(gòu)

圖2為WC-10Co-4Cr涂層的形貌圖.從圖2可以看出，涂層組織細(xì)密、均勻，界面連續(xù)、無(wú)污染物，涂層內(nèi)部無(wú)裂紋、夾雜等組織缺陷.對(duì)涂層的氣孔率及硬度進(jìn)行測(cè)定，ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層的氣孔率為0.8%，涂層顯微硬度(HV0.3)平均值為1110；HVAF噴涂的涂層的氣孔率為0.5%，涂層顯微硬度(HV0.3)平均值為1294.由此可見，ID-HVAF制備的涂層與HVAF制備的涂層的組織結(jié)構(gòu)相近，但硬度稍低.

圖2 WC-10Co-4Cr涂層金相圖(a)ID-HVAF噴涂；(b)HVAF噴涂Fig.2 Optical microstructure of the WC-10Co-4Cr coating

HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層不僅組織結(jié)構(gòu)致密均勻，而且硬度高，耐磨、耐腐蝕性能和涂層韌性均較好，是目前廣泛使用的耐磨涂層制備技術(shù)[14-15].與HVAF噴槍相比，ID-HVAF噴槍的功率低、噴距短，噴涂的WC-10Co-4Cr涂層硬度略低、孔隙率略高，涂層組織結(jié)構(gòu)不如超音速火焰噴涂的好.但內(nèi)孔超音速火焰噴涂的WC-10Co-4Cr涂層的組織形貌及涂層硬度已經(jīng)與HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層非常接近，表明ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層也具有相對(duì)優(yōu)異的涂層性能.

用Spraywatch系統(tǒng)對(duì)噴涂粉末顆粒進(jìn)行測(cè)溫、測(cè)速，ID-HVAF工藝的粉末顆粒速度約500 m/s，平均溫度約為1700 ℃，而HVAF工藝的粉末顆粒速度約為560 m/s，溫度約1450 ℃.由此可見，ID-HVAF工藝的粉末顆粒速度比HVAF的稍低，但溫度顯著高于HVAF的，這是為了保證在較短的噴距情況下，粉末顆粒能達(dá)到合適的受熱狀態(tài).

2.2 相分析

圖3為WC-10Co-4Cr涂層的XRD能譜圖.從圖3可以看出：兩種方法噴涂的WC-10Co-4Cr涂層都是以WC相為主；ID-HVAF制備的涂層中的W2C峰值強(qiáng)度相對(duì)較高，這是由于內(nèi)孔噴槍的粒子溫度較高，涂層脫碳相對(duì)較嚴(yán)重；HVAF制備的WC-10Co-4Cr涂層中除了有脫碳產(chǎn)生的W2C相以外，還出現(xiàn)少量的Co3W3C相.這是由于ID-HVAF槍體設(shè)計(jì)極為緊湊，沒(méi)有HVAF那樣較長(zhǎng)的噴涂距離和加熱距離，燃燒室和槍嘴都較為短小.為了使粒子能夠更好的熔化，只能以增大能量密度的方式，使粒子在極短的時(shí)間內(nèi)迅速熔化.這一方面能夠使粉末粒子在極短時(shí)間內(nèi)熔化，極大改善涂層中容易產(chǎn)生未熔顆粒的問(wèn)題，增加涂層致密度；另一方面，熔融粒子溫度較高，也會(huì)加劇脫碳現(xiàn)象.

圖3 WC-10Co-4Cr涂層X(jué)RD能譜圖Fig.3 XRD patterns for WC-10Co-4Cr coating

2.3 涂層韌性

采用壓痕法測(cè)量?jī)煞N涂層的斷裂韌性，計(jì)算公式為[16]：

式中Kc為斷裂韌性值，MPa·m1/2；P為載荷力，mN；a為半壓痕對(duì)角線長(zhǎng)，μm；c為壓痕中心到裂紋間斷距離，μm.測(cè)得ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層的斷裂韌性值為2.52 MPa·m1/2，HVAF的斷裂韌性值為4.5 MPa·m1/2.

圖4為噴涂WC-10Co-4Cr涂層的杯突形貌圖.從圖4可以看出， ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層的杯突表面整體連續(xù)均勻，只有可見的龜裂，無(wú)涂層剝離現(xiàn)象，這說(shuō)明ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層韌性較好.

圖4 WC-10Co-4Cr涂層的杯突形貌圖(a)ID-HVAF噴涂；(b)HVAF噴涂Fig.4 Erichsen test images of the WC-10Co-4Cr coating

2.4 結(jié)合強(qiáng)度

圖5為涂層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù).從圖5可以看出，ID-HVAF涂層的結(jié)合強(qiáng)度與HVAF的結(jié)果相近.說(shuō)明ID-HVAF和HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層均具有較好結(jié)合強(qiáng)度.觀察斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程中，斷裂位置均為膠粘接的位置，涂層本身沒(méi)有斷裂，說(shuō)明涂層內(nèi)、涂層與基體的結(jié)合力均在測(cè)試數(shù)值之上，涂層的結(jié)合強(qiáng)度性能較好.

圖5 WC-10Co-4Cr涂層結(jié)合強(qiáng)度比較圖

Fig.5Histogram of bond strength of the WC-10Co-4Cr coating

2.5 耐磨性分析

圖6為AK04-ID-HVAF內(nèi)孔噴槍和AK07-HVAF超音速火焰噴涂所制備的WC-10Co-4Cr涂層的磨損失重分析圖.從圖6可以看出， HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層磨損量?jī)H為ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層磨損量的55.7%.ID-HVAF噴涂涂層的磨損量較大，說(shuō)明其耐磨性能相對(duì)于HVAF涂層的差.這是由于ID-HVAF內(nèi)孔噴涂功率較小、噴距短，粒子在噴槍焰流中的加熱時(shí)間短，與HVAF相比，熔融粒子的溫度較高、速度較低，涂層致密度及結(jié)合性能較低，涂層硬度也較低.

在摩擦磨損過(guò)程中，磨粒首先磨掉Co和Cr粘結(jié)相，然后使得WC顆粒脫離涂層表面，脫落的WC粒子不參與磨損.在砂帶的繼續(xù)磨損下，下層的WC粒子能夠繼續(xù)起到耐磨硬質(zhì)點(diǎn)的作用.顯微硬度和涂層致密度是造成涂層耐磨性能差別的兩個(gè)主要因素.與HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層相比，ID-HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層的顯微硬度較低，涂層的孔隙率較大，在摩擦磨損過(guò)程中磨損量較大，其耐磨性能較差.

圖6 摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)p量比較圖

Fig.6Wear weight loss of the ID-HVAF and HVAF WC-10Co-4Cr coating

目前，工件內(nèi)表面噴涂采用ID-HVOF噴涂碳化鎢涂層，其硬度(HV0.3)約為900～1000、孔隙率1%～3%[12].與ID-HVOF噴涂的碳化鎢涂層比較，ID-HVAF噴涂的涂層硬度高、孔隙率低，耐磨性更有顯著優(yōu)勢(shì).

3 結(jié) 論

(1) 內(nèi)孔超音速火焰噴涂的功率較低、噴涂距離較短，結(jié)構(gòu)緊湊，其焰流速度較HVAF噴槍低，熔融粒子溫度較HVAF噴槍高.

(2) 內(nèi)孔超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層致密均勻，孔隙率較低，呈現(xiàn)出和HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層組織相近似的組織結(jié)構(gòu).

(3) 內(nèi)孔超音速火焰噴涂WC-10C0-4Cr涂層的涂層硬度、涂層韌性和涂層耐磨性能方面較HVAF噴涂的WC-10Co-4Cr涂層略低.

參考文獻(xiàn)：

[1] YUMIBA N.熱噴涂工業(yè)與應(yīng)用趨勢(shì)[J].熱噴涂技術(shù)，2010(2)：7-12.

[2] 周克崧.熱噴涂技術(shù)替代電鍍硬鉻的研究進(jìn)展[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2004，14(5)：182-190.

[3] PAWLOWSKI L.The Science and engineering of thermal spray coatings[M].Beijing：China Machine Press， 2011.

[4] 吳朝軍，吳曉峰，楊杰，等.熱噴涂在我國(guó)航天領(lǐng)域的應(yīng)用[C]//第十二屆國(guó)際熱噴涂研討會(huì)暨第十三屆全國(guó)熱噴涂年會(huì)論文集.廣州：中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)，2009：114-119.

[5] 王剛，焦孟旺，李賀，等.熱噴涂新技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)減摩性能方面的應(yīng)用和研究[J].表面技術(shù)，2014，43(1)：103-108.

[6] 魏秋蘭，邢亞哲.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸熱噴涂涂層的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012(10)：1-5.

[7] 袁濤，屈軼，史萌，等.汽輪機(jī)超音速火焰噴涂NiCr-Cr3C2涂層[J].表面技術(shù)，2013，42(6)：63-65.

[8] 劉明，王海軍，韓志海，等.內(nèi)孔等離子噴涂Ni45-15%Mo涂層與38CrMoAl滲氮層耐磨性研究[J ].中國(guó)表面工程，2007，20 (4)：47-50.

[9] 宋進(jìn)兵，代明江.熱噴涂設(shè)備的發(fā)展[J ].電鍍與涂飾，2009，11(28)：65-69.

[10] 王海軍，劉明，李緒強(qiáng).內(nèi)孔等離子噴涂裝置與工藝研究[J].熱噴涂技術(shù)，2011(3)：1-5.

[11] 董曉強(qiáng)，張陽(yáng).等離子弧內(nèi)孔噴涂在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸強(qiáng)化中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2010，39：1-4.

[12] MATTHAUS G，HENRY J，ACKERMANN D.Further developments in internal diameter HVOF application of WC-CoCr for hard chrome replacement in critical applications such as landing gear[C]//Thermal Spray 2009. Las Vegas：International Thermal Spray Conference， 2009：722-724.

[13] ERNST F，KUBE D，NEMAK D G，et al.Corrosion resistant coatings for cylinder bore applications in passenger car engines[C] //Thermal Spray 2014.Barcelona：International Thermal Spray Conference， 2014：75-78.

[14] BOBZIN K，KOPP N，WARDA T，et al.Investigation and characterization of HVAF WC-Co-Cr coatings and comparison to galvanic hard chrome coatings[C] //Thermal Spray 2013. Busan：International Thermal Spray Conference. 2013:389-394.

[15] LYPHOUT C.Tungsten carbide deposition processes for hard chrome alternative：preliminary study of HVAF vs HVOF thermal spray processes[C] //Thermal Spray 2013.Busan：International Thermal Spray Conference. 2013：506-511.

[16] 鄧春明，韓淘，劉敏，等.低溫超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層的顯微結(jié)構(gòu)和性能[J].材料研究與應(yīng)用.2013，7(4)：223-228.