HVOF和APS噴涂WC-10Co-4Cr涂層性能研究

陳煥濤，陳文龍，張曉鋒，黃 健，張忠誠(chéng), 朱暉朝，黃仁忠，黃 科，葉 云，朱霞高，陳志坤，黃科里，王子樂(lè)，陳 江，周廣鑫

現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省新材料研究所，廣東 廣州510650

HVOF和APS噴涂WC-10Co-4Cr涂層性能研究

陳煥濤，陳文龍，張曉鋒，黃 健，張忠誠(chéng), 朱暉朝，黃仁忠，黃 科，葉 云，朱霞高，陳志坤，黃科里，王子樂(lè)，陳 江，周廣鑫

現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省新材料研究所，廣東 廣州510650

以45號(hào)鋼為基體分別采用超音速火焰噴涂(HVOF)和大氣等離子噴涂(APS)法，制備了兩種WC-10Co-4Cr涂層，并對(duì)兩種工藝噴涂的WC-10Co-4Cr涂層進(jìn)行了金相顯微結(jié)構(gòu)分析、結(jié)合強(qiáng)度及硬度測(cè)試．試驗(yàn)結(jié)果表明：HVOF和APS制備的WC-10Co-4Cr涂層金相組織分布均勻，界面結(jié)合致密無(wú)雜質(zhì)；HVOF制備的WC-10Co-4Cr涂層的孔隙率較小，且顯微硬度及結(jié)合強(qiáng)度均優(yōu)于APS的．表明，HVOF制備的WC-10Co-4Cr涂層的基本性能優(yōu)于APS制備的WC-10Co-4Cr涂層．

WC-10Co-4Cr涂層；超音速火焰噴涂(HVOF)；等離子噴涂(APS)；結(jié)合強(qiáng)度

用熱噴涂技術(shù)制備WC-Co復(fù)合涂層是目前科學(xué)研究的一個(gè)新興的重要領(lǐng)域，WC-Co涂層的制備技術(shù)逐漸成為解決重大裝備關(guān)鍵零部件耐磨性的關(guān)鍵技術(shù)．碳化鎢基金屬陶瓷是碳化物基金屬陶瓷中研究最多、應(yīng)用最廣的一類金屬陶瓷．由于WC-Co具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高及優(yōu)異的耐磨損等性能，被廣泛地應(yīng)用于制造各種切削刀具、鉆井鉆頭、采礦工具及其他各種耐磨件，以及廣泛地應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、冶金、電力等領(lǐng)域的大型關(guān)鍵零部件中[1]．

WC-Co系列金屬陶瓷復(fù)合粉末中加入Cr金屬后，可提升涂層的抗腐蝕性能[2]．制備WC-10Co-4Cr涂層通常采用超音速火焰噴涂(HVOF)和大氣等離子噴涂(APS)法．針對(duì)某些特定需求，對(duì)兩種方法的異同進(jìn)行分析對(duì)比．

1 試樣制備

選用45號(hào)鋼作為基體材料，用超聲波清洗吹干噴砂后，在30 min內(nèi)完成噴涂作業(yè)．截取經(jīng)兩種方法噴涂的WC-10Co-4Cr涂層試樣的橫截面，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用LEICA DMIRM大型倒置式金相顯微鏡及LEICA MW550圖像分析儀，觀察涂層微觀形貌和涂層與基體界面結(jié)合情況及測(cè)量涂層孔隙率．用MH-5D顯微硬度計(jì)測(cè)量HVOF和APS制備涂層的維氏顯微硬度．用GP-TS2000M萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層的結(jié)合強(qiáng)度.噴涂粉末成分列于表1，HVOF及APS噴涂工藝參數(shù)分別列于表2和表3．

表1 WC-10Co-4Cr粉末的化學(xué)成分

表2 超音速火焰噴涂(HVOF)噴涂的工藝參數(shù)

Table 2 Process parameters of high velocity oxygen flame (HVOF)

煤油/(L·h-1)氧氣/(L·h-1)燃燒室壓/MPa噴距/mm送粉量/(g·min-1)59200260120

表3 大氣等離子 (APS)噴涂的工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀分析

用LEICA DMIRM大型倒置式金相顯微鏡觀察涂層微觀形貌，用LEICA MW550圖像分析儀測(cè)量涂層微觀性能，圖1為WC-10Co-4Cr涂層的微觀形貌．從圖1可以看出：兩種噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層均能與基體形成良好的界面結(jié)合，界面結(jié)合以機(jī)械咬合為主，涂層均勻性良好；兩種涂層中都分布著一些細(xì)小的氧化物和顯微裂紋；HVOF涂層比APS涂層光滑均勻、孔隙率低，其中HVOF的孔隙率小于1%，而APS的孔隙率高達(dá)10.9%,表明HVOF涂層比APS涂層更致密、缺陷少．

2.2 涂層維氏顯微硬度

用MH-5D顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層維氏顯微硬度，其結(jié)果列于表4．

圖1 WC-10Co-4Cr涂層的微觀形貌Fig.1 Microstructure of WC-10Co-4Cr coating(a) HVOF；(b)APS

工藝硬度值(HV0.3)APS775.7570.5785.5675.6619.9611.8749.8676.3665.9661.2HVOF1261.21310.91365.21281.51186.71011.41227.71328.21286.91152.6

由表4可知， HVOF制備的涂層平均硬度值為1241，較APS涂層的679高．影響涂層硬度的因素很多，其中涂層微觀組織及相結(jié)構(gòu)對(duì)涂層硬度有重要影響．涂層越致密、微裂紋越少及平整光滑，涂層的硬度就越高．

2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度

用GP-TS2000M萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)APS和HVOF制備的涂層進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，加載速度為1 mm/min．依據(jù)ASTM C 633標(biāo)準(zhǔn)，在直徑為25.4 mm對(duì)偶件上噴涂涂層，涂層的厚度應(yīng)控制在0.21±0.01 mm．用E-7高溫結(jié)構(gòu)膠將無(wú)涂層的對(duì)偶件和有涂層的對(duì)偶件粘結(jié)，恒溫100 ℃下加熱3 h．測(cè)試結(jié)果列于表5．

表5 WC-10Co-4Cr涂層的結(jié)合強(qiáng)度

由表5可知， HVOF制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度的平均值為78 MPa，APS涂層結(jié)合強(qiáng)度的平均值為56 MPa．這是因?yàn)榈入x子噴涂焰流雖溫度高，噴涂粉末能夠充分熔化，但射流速度不夠快，在快的冷卻速度下，噴涂粉末與基體碰撞時(shí)粒子扁平化程度不高、鋪展性不好、熔融粒子之間的結(jié)合不夠緊密，這就造成涂層的孔隙率增大；由于加熱溫度高，粒子高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，噴涂粒子在飛行過(guò)程中與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化物的傾向增大，氧化物的生成會(huì)導(dǎo)致涂層結(jié)合不夠緊密[4]．超音速火焰噴涂射流速度大，粉末沉積速率快，與基體碰撞變形充分，顆粒與顆粒之間結(jié)合更為緊密；由于射流速度大，噴涂粒子在空氣中的停留時(shí)間也短，與空氣中氧接觸時(shí)間也短，產(chǎn)生氧化物幾率較前者小，所以其涂層組織結(jié)構(gòu)更致密．

等離子噴涂溫度較高，其WC脫碳分解現(xiàn)象比超音速噴涂的嚴(yán)重．雖然WC的脫碳反應(yīng)會(huì)生成部分W2C和Co6W6C相，生成的W2C相的硬度高于WC相[5]，但由于含量低，對(duì)涂層硬度的影響甚微．因此，HVOF涂層的硬度及結(jié)合強(qiáng)度顯著高于APS涂層．

與 APS噴涂工藝對(duì)比，無(wú)論從微觀組織還是力學(xué)性能方面，HVOF 噴涂制備的WC-10Co-4Cr涂層都具有獨(dú)特的優(yōu)越性．首先，HVOF火焰溫度比等離子弧低，能有效地抑制WC-10Co-4Cr的脫碳和分解；其次，HVOF的射流速度比較高，噴涂粒子速度可達(dá)到 650 m/s[6]，熔融的顆粒在空氣介質(zhì)中停留時(shí)間相對(duì)較短，也可有效地減少粉末的脫碳和分解，并且由于顆粒的動(dòng)能大，涂層與基體的結(jié)合更加緊密．

3 結(jié) 論

(1)HVOF超音速火焰噴涂工藝和APS大氣等離子噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層均能與基體形成良好的界面結(jié)合，界面結(jié)合以機(jī)械咬合為主，涂層均勻性良好．

(2)HVOF超音速火焰噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的顯微硬度高于APS大氣等離子噴涂的．

(3)HVOF超音速火焰噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的孔隙率為1%，遠(yuǎn)小于APS大氣等離子噴涂的．

(4)HVOF超音速火焰噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于APS大氣等離子噴涂的．

[1] 程正明，劉敏，鄧春明，等．噴距對(duì)低溫超音速火焰噴涂鈦涂層顯微結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]．表面技術(shù)，2014，43(2)：13-17．

[2] 韓滔，鄧春明，羅兵輝，等．噴距對(duì)低溫超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr 涂層性能的影響[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，46(3)：823-827.

[3] MAO W G，WAN J，DAI C Y. Evaluation of microhardness, fracture toughness and residual stress in a thermal barrier coating system：Amodified vickers indentation technique[J]. Surface & Coatings Technology，2012，206(21)：4455-4461.

[4] 尤群．HVOF與APS噴涂WC-12Co涂層組織與性能研究[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012．

[5] 王博．超音速火焰噴涂制備WC-10Co-4Cr涂層工藝參數(shù)的優(yōu)化[J]．機(jī)械工程材料，2012，36(10)：58-61．

[6] 陶凱，崔華，周香林．超音速火焰(HVOF)噴涂過(guò)程中顆粒行為數(shù)值模擬的研究進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(4)：112-116．

Study on the performance of HVOF and atmospheric plasma sprayed WC-10Co-4Cr coatings

CHEN Huantao，CHEN Wenlong，ZHANG Xiaofeng，HUANG Jian，ZHANG Zhongcheng，ZHU Huizhao， HUANG Renzhong，HUANG Ke，YE Yun，ZHU Xiagao，CHEN Zhikun，HUANG Ke li WANG Zile，CHEN Jiang，ZHOU Guangxin

NationalEngineeringLaboratoryforModernMaterialsSurfaceEngineeringTechnology&TheKeyLabofGuangdongforModernSurfaceEngineeringTechnology,GuangdongInstituteofNewMaterials，Guangzhou510650，China

In order to prepare the WC-10Co-4Cr coating with excellent performance，two kinds of WC-10Co-4Cr coatings were prepared on 45# steel substrate by high velocity oxygen flame (HVOF) technology and atmospheric plasma spraying (APS)．Metallographic structure analysis，bonding strength and hardness test of WC-10Co-4Cr coating sprayed on these two kinds of technology were carried out separately．The results show that the microstructure of WC-10Co-4Cr coatings prepared by APS and HVOF were evenly distributed，good interface state without impurities. However, HVOF preparation of WC-10Co-4Cr coating porosity is smaller，microhardness and bonding strength were better than that of APS，so WC-10Co-4Cr coatings prepared by HVOF is better than the basic properties of APS prepared．

WC-10Co-4Cr coating；high velocity oxygen flame(HVOF)； atmospheric plasma spraying(APS)；bonding strength

2016-07-26

陳煥濤(1989-)，海南屯昌人，本科.

1673-9981(2017)01-0030-04

TG174.444

A