ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層的抗磨蝕性能

毛鵬展，陳小明，周夏涼，馬紅海

（1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州310012；2.水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，杭州310012）

ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層的抗磨蝕性能

毛鵬展1，陳小明1，周夏涼1，馬紅海2

（1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州310012；2.水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，杭州310012）

采用超音速火焰（HVOF）熱噴涂工藝，在ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼上制備了納米WC-10Co-4Cr涂層。利用壓痕法和灰度法分別測(cè)試了涂層的顯微硬度和孔隙率，并利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子萬能試驗(yàn)機(jī)和磨蝕試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)涂層的相結(jié)構(gòu)、表面形貌、結(jié)合強(qiáng)度和抗磨蝕性能進(jìn)行了分析和測(cè)試。結(jié)果表明，獲得的WC-10Co-4Cr涂層的平均顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度高，分別達(dá)到1 435HV0.2和70.4 MPa，組織結(jié)構(gòu)致密。相對(duì)于ZG06Cr13Ni54Mo不銹鋼，納米WC-10Co-4Cr涂層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能，其抗磨蝕性能是ZG06Cr13Ni54Mo不銹鋼的10倍以上。

超音速火焰噴涂；涂層；WC-10Co-4Cr；磨蝕

磨蝕是表面破壞的一種方式，廣泛發(fā)生在機(jī)械設(shè)備的表面。在水力機(jī)械中，絕大多數(shù)部件的磨蝕破壞都是由進(jìn)入氣體和液體流中的小固體顆粒的沖擊引起的。據(jù)2011年國家發(fā)改委和水利部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)顯示，我國的大中型水電站中，132臺(tái)水輪機(jī)存在著磨蝕問題，占大中型水電站裝機(jī)容量的30%左右（不包括三峽電站），大型泵站中，40%的泵站存在著磨蝕問題［1-3］。磨蝕問題嚴(yán)重影響了水力機(jī)械的性能及使用壽命，危及安全的同時(shí)，也給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決磨蝕問題，研究人員通過選用抗磨母材、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂覆有機(jī)涂料等方法，來提高水力機(jī)械表面抗磨蝕性能［4-6］。這些方法雖在一定程度上改善了水力機(jī)械表面抗磨蝕性能，但效果不明顯，仍存在較為嚴(yán)重的磨蝕現(xiàn)象。

超音速火焰（High Velocity Oxy-Fuel，HVOF）噴涂作為近年來發(fā)展的一種高速火焰噴涂工藝，具有焰流溫度較低（2 800℃左右）、焰流速率高（最高可達(dá)2 400 m/s）等特點(diǎn)，由此制備的涂層具有致密度高，氧化物含量低，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，為提高水力機(jī)械表面抗磨蝕性能提供了一種新的有效方法［7-14］。

本工作采用HVOF噴涂工藝，在ZG06Cr13Ni-4Mo不銹鋼上制備了納米WC-10Co-4Cr涂層，利用X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM），表征和分析了涂層的物相組成、微觀組織結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了涂層的孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度和抗磨蝕性能，并分析了涂層在含沙水流中的抗磨蝕機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

噴涂材料采用納米WC-10Co-4Cr的粉末，晶粒尺寸為80～600 nm，團(tuán)聚處理后的粉末粒度在5～40μm之間。噴涂基體和磨蝕對(duì)比材料選用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，其化學(xué)主要組成見表1。

表1 ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的主要成分Tab.1 The main ingredients of ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel %

1.2 涂層制備

使用SQC-5000國產(chǎn)超音速火焰噴涂設(shè)備，以航空煤油為燃料，氧氣作為助燃?xì)?，氮?dú)鉃樗头圯d氣，結(jié)合以往的工藝參數(shù)，優(yōu)化后的噴涂參數(shù)如表2所示。

表2 HVOF噴涂參數(shù)Tab.2 The spraying parameters of HVOF coatings

噴涂前，對(duì)基體試樣進(jìn)行除銹、除油處理，然后采用40目的白剛玉砂進(jìn)行粗化處理，在特制的夾具上進(jìn)行噴涂，涂層的設(shè)計(jì)厚度為240μm。

1.3 相結(jié)構(gòu)測(cè)試

用線切割加工出尺寸為8 mm×8 mm的帶有涂層的試樣，采用荷蘭帕那科公司生產(chǎn)的X′Pert PRO型X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層進(jìn)行相結(jié)構(gòu)測(cè)試，陽極為銅靶，工作電壓為40 k V，電流30 m A。

1.4 顯微硬度測(cè)試

用線切割加工出尺寸為8 mm×8 mm的帶有涂層的試樣，經(jīng)過鑲嵌、初磨和拋光，然后用蔡司的ULTRA55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察涂層微觀形貌并用KMM-500E金相顯微鏡測(cè)試涂層的孔隙率，最后采用HXD-1000TMC/LCD顯微硬度測(cè)試儀測(cè)試涂層截面上有代表性10個(gè)點(diǎn)的顯微硬度，試驗(yàn)載荷為200 g，加載時(shí)間為10 s。

1.5 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

拉伸試樣尺寸為φ25 mm，試樣結(jié)合面采用專用薄膜膠黏接后，固定在特制的夾具上，并一起放入恒溫干燥箱中進(jìn)行保溫，采用WDW-50萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 8642-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂層的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.6 抗磨蝕性能測(cè)試

磨蝕試樣尺寸分別為18.7 mm×18.7mm，采用LTM-200型磨蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，磨料采用20～40目的石英砂10 kg和15 kg的去離子水混合而成，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，用帶有涂層的試樣和不帶涂層ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼作對(duì)比試驗(yàn)。試樣磨蝕6 h后洗凈、烘干，采用精度為0.01 mg的電子天平稱量，并將磨蝕后的試樣置于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物相分析

HVOF涂層的X射線衍射結(jié)果如圖1所示，由XRD物相分析可知，涂層主要由WC和鈷組成，含有少量的W2C。這說明在噴涂過程中部分WC顆粒直接與氧氣接觸或者WC溶于液相鈷中，這樣WC中的碳直接或間接的與氧反應(yīng)，從而發(fā)生脫碳形成W2C相，W2C會(huì)導(dǎo)致涂層脆性的增大，降低耐磨性能［6-7］。另外，涂層中沒有明顯的鉻相的衍射峰，一方面是因?yàn)殂t在材料中的含量較少；另一方面是因?yàn)閄衍射儀采用的銅靶對(duì)鉻相不敏感。

2.2 涂層微觀組織

圖2為WC-10Co-4Cr涂層的橫截面的SEM形貌圖。從圖2中可以看出，使用HVOF制備的WC-10Co-4Cr涂層均勻且孔隙率較低，結(jié)構(gòu)致密，涂層無明顯層狀結(jié)構(gòu)。采用灰度法測(cè)量涂層孔隙率為0.55%，說明在噴涂過程中，噴涂粒子在到達(dá)基體時(shí)具有較高的動(dòng)能和熱焓值，對(duì)基體的撞擊作用較強(qiáng)。涂層與基體之間結(jié)合緊密，這與結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果一致。在高倍放大組織中還可明顯觀察到涂層存在少量孔洞，但孔隙率較低。

圖1 納米WC-10Co-4Cr涂層的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of nanoWC-10Co-4Cr coating

圖2 WC-10Co-4Cr涂層的橫截面SEM形貌Fig.2 Section morphology of the WC-10Co-4Cr coating

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 結(jié)合強(qiáng)度

圖3為涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)力與時(shí)間曲線，通過曲線測(cè)得涂層拉斷時(shí)的抗拉強(qiáng)度為70.4 MPa，斷裂方式為膠接面，實(shí)際涂層的結(jié)合強(qiáng)度要高于這個(gè)值，說明該涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。采用高強(qiáng)度膠黏接涂層，測(cè)試抗拉強(qiáng)度，最后實(shí)測(cè)的結(jié)果與很多因素有關(guān)，如涂層和對(duì)接試樣的表面粗糙度、黏接和固化的工藝以及拉伸條件等，若涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較高，則采用這種方法很難準(zhǔn)確地測(cè)出其實(shí)際結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 納米WC-10Co-4Cr涂層與基體的拉伸試驗(yàn)力-時(shí)間曲線Fig.3 The tensile test force-time curve of nano WC-10Co-4Cr coating and matrix

2.3.2 涂層顯微硬度

圖4為涂層和不銹鋼的平均顯微硬度，由圖4可以看出，涂層的顯微硬度遠(yuǎn)高于不銹鋼基體。涂層平均顯微硬度為1 435HV0.2，相對(duì)于本次試驗(yàn)的ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的顯微硬度（320.2 HV0.2）有很大的提高。這主要是超音速熱噴涂時(shí)，粉末中的大部分WC粒子沉積到涂層中，高含量的WC比例保證了涂層具有較高的硬度。

圖4 涂層與基體的顯微硬度Fig.4 Micro-hardness of coating and matrix

2.4 涂層抗磨蝕性能

分別對(duì)WC-10Co-4Cr涂層和ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼進(jìn)行抗磨蝕試驗(yàn)，表3為涂層與基體經(jīng)6 h磨蝕后失重對(duì)比情況。從表中可以看出，經(jīng)過6 h磨蝕，WC-10Co-4Cr涂層的失重量非常少（僅為0.052 61 g），而基體為0.54291g，相對(duì)于ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，超音速火焰噴涂的納米WC-10Co-4Cr涂層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能。

經(jīng)6 h磨蝕后，涂層表面形貌如圖5所示。

由圖5（a）涂層磨蝕區(qū)域低倍磨蝕形貌中可以

表3 HVOF涂層磨蝕失重情況Tab.3 Abrasion loss of HVOF coating

圖5 HVOF涂層經(jīng)過6 h磨蝕后SEM形貌Fig.5 SEM of HVOF coating after 6 h abrasion

看出被磨蝕的涂層表面局部有犁溝和較小的凹坑，但整體較為平整。由涂層磨蝕區(qū)域高倍磨損形貌可以看出，WC粒子周圍的粘結(jié)相表面有較明顯的劃痕（即較淺的犁溝），這些犁溝在遇到WC粒子時(shí)終止。有些WC粒子與周圍的粘結(jié)相開始發(fā)生剝離，有些WC粒子脫離粘結(jié)相，還有些WC粒子開始出現(xiàn)裂紋即將發(fā)生破裂。通過這些典型的形貌，可以推斷出WC-10Co-4Cr涂層的微觀磨蝕基理如下：在磨蝕過程中，由于WC顆粒之間的鈷粘結(jié)金屬硬度較低，鈷首先被切削和擠壓，但由于納米結(jié)構(gòu)細(xì)化了，提高了組織的硬度和韌性，使得應(yīng)力容易通過結(jié)合界面得到釋放，使得破壞不會(huì)是太快，隨磨蝕過程的不斷進(jìn)行，粘結(jié)相被切除掉，突出的WC粒子在砂粒的沖擊和切削下疲勞破碎。

3 結(jié)論

（1）采用超音速火焰噴涂（HVOF）工藝成功制備了WC-10Co-4Cr涂層，噴涂過程中，僅少量的WC發(fā)生了氧化分解。

（2）HVOF制備的納米WC-10Co-4Cr力學(xué)性能優(yōu)異，其顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度平均值分別達(dá)到1435 HV0.2和70.4 MPa，涂層致密，其孔隙率為0.55%。

（3）相對(duì)于ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，納米WC-10Co-4Cr涂層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能，其抗磨蝕性能是基體材料的10倍以上。

［1］ 王志高.我國水機(jī)磨蝕的現(xiàn)狀和防護(hù)措施的進(jìn)展［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2002（3）：36-38.

［2］ 張富欽.國內(nèi)外水輪機(jī)發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.東方電機(jī)，1998（1）：1-12.

［3］ 鄧隱北，邢紅超.適應(yīng)全球市場(chǎng)大容量長(zhǎng)壽命化需要的水輪機(jī)技術(shù)［J］.水利電力科技，2012（3）：76-80.

［4］ 郭鵬程，朱國俊.水平軸海流能水輪機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013（9）：778-782.

［5］ 楊震曉，劉敏.熱噴涂基體表面前處理技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.中國表面工程，2012（2）：25-31.

［6］ 馬光，王國剛，孫冬柏，等.兩種AC-HVAF噴涂耐蝕性研究［J］.材料工程，2007（8）：73-76.

［7］ 馬永青，程國東.超音速火焰噴涂鈷基陶瓷涂層的組織與性能研究［J］.全面腐蝕控制，2014（4）：63-65.

［8］ PORNTHEP C，MAKOTO W，SEIJI K.Effect of carbide size and cocontent on the microstructure and mechanical properties of HVOF-sprayed WC-Co coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2007（3）：509-521.

［9］ QIAO Q Y，TETSUYA S，AKIRA O.Effect of carbide grain size on microstructure and sliding wear behavior of HVOF-sprayed WC-12Co coatings［J］. Wear，2003（254）：23-34.

［10］ 饒瓊，周相林，張濟(jì)山，等.超音速噴涂技術(shù)及應(yīng)用［J］.熱加工工藝，2004（10）：49-52.

［11］ VERDON C，KARIMI A，MARTIN J L.A study of high velocity oxy-fuel thermally sprayed tungsten carbide based coatings.Part 1：Micro-structures［J］. Materials Science and Engineering，1998（246）：11-24.

［12］ 張?zhí)烀?超音速火焰噴涂WC/Co涂層的組織性能研究［J］.熱加工工藝，2007（11）：48-49.

［13］ WANG Q，CHEN Z H，DING Z X.Performance of abrasive wear of WC-10Co-4Cr coatings sprayed by HVAF［J］.Tribology International，2009，42：1046-1051.

［14］ CH IVAVIBUL P，WATA NABE M，KURODA S，et al.Evaluation of HVOF-sprayed WC-Co coatings for wood machining［J］.Surface and Coatings Technology，2008，202（21）：5127-5135.

Anti-abrasion Performance of WC-10Co-4Cr Coatings Fabricated by High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spray on ZG06Cr13Ni4Mo Steel

MAO Peng-zhan1，CHEN Xiao-ming1，ZHOU Xia-liang1，MA Hong-hai2
（1.Standard&Quality Control Research Institute，Ministry of Water Resources，Hangzhou 310012，China；2.Hangzhou Mechanical Design Research Institute，Ministry of Water Resources，Hangzhou 310012，China）

Nano WC-10Co-4Cr coating was deposited on ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel substrate using HVOF（high velocity oxy-fuel）spraying system.The properties of bond strength，micro hardness，porosity and abrasive wear of the coating were investigated.The phases of the coating were analyzed by XRD.The microstructure and surface morphology were analyzed by SEM.The results indicated that the WC-10Co-4Cr coating exhibited high bond strength，micro-hardness and compact structure，the average micro-hardness reached 1435HV0.2 and the bond strength was more than 70 MPa.Compared with the ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel，WC-10Co-4Cr coating exhibited excellent anti-abrasion property，the anti-abrasion property of the coating was more than 10 times than the ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel.

HVOF spray；coating；WC-10Co-4Cr；abrasion

TG174.4

A

1005-748X（2015）09-0856-04

10.11973/fsyfh-201509013

2014-10-05

杭州西湖區(qū)社會(huì)發(fā)展科技項(xiàng)目（2012XSF01）；國家“948”項(xiàng)目（201218）；浙江省公益性應(yīng)用技術(shù)研究項(xiàng)目（2013C31044）；杭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20120433B35）

毛鵬展（1985-），工程師，碩士，從事表面強(qiáng)化及納米技術(shù)防護(hù)研究工作，18668127682，maomaodewy＠163. com