超音速等離子噴涂WC10Co4Cr涂層干濕條件下的摩擦磨損性能研究

徐 一，于修水，蔣 穹，唐建成，張思宇

（1．南昌大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330031；2．淄博高新區(qū)中烏等離子技術(shù)研究院，山東 淄博 255086；3．鹽城工學院材料科學與工程學院，江蘇 鹽城 224051）

泥沙沖蝕磨損是石油鉆桿失效的主要形式之一，磨損后的鉆桿承載能力降低，并且對后續(xù)采油和修井過程影響較大[1-3]。磨損是材料的表面行為，如能在材料表面制備一層硬度較高的涂層，就可以提高石油鉆桿的服役壽命。

WC涂層具有較高的硬度、優(yōu)異的抗磨損性能，廣泛應用于航空航天、石油化工和造紙等工業(yè)領(lǐng)域[4]。該涂層體系可以用于材料表面的耐磨損保護，也可以用來修復損壞設備零件，因此，WC涂層的使用可節(jié)約大量價格昂貴的材料和加工費用。為進一步提高WC涂層的抗腐蝕和抗磨損性能，材料學者們通常會在WC涂層中添加一定比例的合金元素，如B、Si、Ni、Co和Cr等。超音速等離子噴涂制備的WC10Co4Cr涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、較高的高周疲勞性能，因而可作為石油鉆桿的備選防護涂層[5-7]。

研究采用超音速等離子噴涂在Q235鋼表面制備WC10Co4Cr涂層，采用球-盤摩擦磨損的方式分別在干、濕條件下研究涂層的抗摩擦磨損性能，探討其抗摩擦磨損機理，為WC10Co4Cr涂層在石油鉆桿領(lǐng)域的應用提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

基體材料為Q235鋼，基體試樣塊尺寸為20mm×20 mm×5 mm。噴涂粉末使用北京聯(lián)合涂層技術(shù)有限公司提供的微米結(jié)構(gòu)WC10Co4Cr粉末，粉末粒徑均勻，均為 10～45 μm。

1.2 涂層制備

WC10Co4Cr涂層采用烏克蘭進口的PLAZER 180 PL-S超音速等離子噴涂設備制備。噴涂前，Q235鋼基體試樣首先經(jīng)過除銹、除油、噴砂等預處理，以提高涂層與基體的結(jié)合強度。超音速等離子噴涂WC10Co4Cr涂層的基本參數(shù)見表1。

表1 超音速等離子噴涂WC10Co4Cr涂層工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of WC10Co4Cr coating by supersonic plasma spraying

1.3 試驗方法

采用中國科學院蘭州化學物理研究所生產(chǎn)的HT-500型球-盤摩擦磨損試驗機分別對涂層在干燥和濕潤條件下的摩擦磨損性能進行測試，以Si3N4陶瓷球作為摩擦副。為模擬石油鉆桿的真實工作環(huán)境，在濕潤條件下的摩擦磨損試驗中，利用滴管每分鐘在試樣表面滴入 0．1 mL、濃度為 0．1 mol/L的NaCl+Ca（OH）2混合溶液[8]。為防止溶液溢出損害設備，試樣非測試面用吸水紙包裹，并用吸水紙隨時對試樣邊緣即將溢出的溶液進行吸水擦拭。球-盤摩擦磨損試驗詳細參數(shù)見表2。

表2 WC10Co4Cr涂層球-盤摩擦磨損試驗參數(shù)Tab.2 WC10Co4Crcoating ball disc friction and wear test parameters

磨損率由公式（1）計算獲得[9]：

式中：K為試樣的磨損率，g/Nmm；Δm為試樣的磨損量，g；N為摩擦試驗中所加的載荷，N；r為旋轉(zhuǎn)半徑，mm；T 為試驗時間，min；V 為旋轉(zhuǎn)速度，r·min-1。其中，涂層在摩擦磨損試驗前后質(zhì)量的變化采用FAl004型分析天平記錄。

1.4 測試表征

采用北京時代之峰科技有限公司生產(chǎn)的TMVS-1S維氏硬度儀對WC10Co4Cr涂層表面的顯微硬度進行測試，測試累計5次，取平均值；使用德國ZEISS公司的SIGMA掃描電子顯微鏡對WC10Co4Cr涂層和磨痕形貌進行分析，利用掃描電子顯微鏡配套的能譜儀對涂層的元素成分進行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 WC10Co4Cr涂層組織形貌與基本性能

圖1為WC10Co4Cr涂層SEM表面、截面形貌及表面EDS元素分析結(jié)果，可以看出，由于WC10Co4Cr粉末顆粒熔點高，涂層表面存在一定量半熔化或未熔化的粉末顆粒。在EDS檢測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)涂層主要成分以鎢、碳、鈷、鉻為主，這四種元素的質(zhì)量比之和超過了涂層表面所有元素質(zhì)量比的80%。此外，在圖譜中也發(fā)現(xiàn)了11．88%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的氧元素，這是由于在噴涂過程的氧化和試樣在大氣中吸氧導致的；而4．65%的鐵元素是來自于基體Q235鋼。在圖1（c）中可以看到，涂層的厚度為80～100 μm。由于存在半熔化或未熔化的粉末顆粒，在涂層表面和涂層與基體的界面處發(fā)現(xiàn)一些孔隙，如紅色箭頭所示，但涂層中未發(fā)現(xiàn)貫穿式裂紋和大面積剝落現(xiàn)象。

圖1 WC10Co4Cr涂層SEM表面、截面形貌及表面EDS元素分析結(jié)果Fig.1 SEM surface,section morphology and EDS element analysis results of WC10Co4Cr coating

WC10Co4Cr涂層表面的顯微硬度5次測試值分 別 為 1 357 HV0．3，1 502 HV0．3，1 443 HV0．3，1 337 HV0．3和 1 402 HV0．3，平均值為 1 408．2 HV0．3，可見涂層表面具有較高的硬度。

2.2 WC10Co4Cr涂層摩擦磨損性能

圖2為不同載荷干燥條件下球-盤摩擦磨損試驗后WC10Co4Cr涂層表面磨痕SEM形貌。由圖可見，隨著載荷的增大，磨痕中并沒有發(fā)生本質(zhì)上的變化，磨痕中都出現(xiàn)了犁溝、磨屑等微切削形式的磨粒磨損形貌[10]，其中在800 g載荷下更為明顯。涂層表面磨痕壓塌現(xiàn)象較為嚴重，但未曾發(fā)現(xiàn)開裂、剝落等失效現(xiàn)象。

圖2 不同載荷干燥條件下摩擦磨損試驗后WC10Co4Cr涂層表面磨痕SEM形貌Fig.2 SEM appearance of wear mark on WC10Co4Cr coating after friction and wear test under different load and drying conditions

圖3為不同載荷濕潤條件下球盤摩擦磨損試驗后WC10Co4Cr涂層表面磨痕SEM形貌。由于溶液的作用，磨痕表現(xiàn)出了較為明顯的涂抹式黏著磨損形貌[11]。隨著載荷的增大，磨痕也沒有發(fā)生本質(zhì)上的變化，未發(fā)現(xiàn)開裂、剝落等失效現(xiàn)象。

圖4為干、濕兩種條件下WC10Co4Cr涂層不同載荷摩擦系數(shù)-時間曲線圖。不難發(fā)現(xiàn)，在各個載荷條件下，濕潤條件下涂層試樣的摩擦系數(shù)值皆低于干燥條件的相應值。如400 g載荷試驗中，濕潤條件涂層摩擦系數(shù)值為0．226，而干燥條件涂層摩擦系數(shù)值為0．288；800 g載荷試驗中，濕潤條件涂層摩擦系數(shù)值為0．263，而干燥條件涂層摩擦系數(shù)值為0．338，如圖5所示。然而，值得注意的是，在干燥條件下各載荷摩擦系數(shù)曲線圖更為平滑，但跑合階段時間較短（三個載荷條件下跑合階段時間都小于12 min）；濕潤條件下恰好相反，即各載荷摩擦系數(shù)曲線圖更為顛簸，而跑合階段時間較干燥條件下更長（三個載荷條件下跑合階段時間都大于20 min，600 g試驗中跑合階段時間甚至長達33 min）。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，干燥條件下WC10Co4Cr涂層與Si3N4陶瓷球主要以磨粒磨損為主，正如圖2所示，這使得該摩擦副在摩擦磨損試驗中更容易進入穩(wěn)定磨損階段；濕潤條件下WC10Co4Cr涂層與Si3N4陶瓷球主要以黏著磨損為主，從而導致摩擦副在摩擦磨損試驗中需要更長的時間才能進入穩(wěn)定磨損階段，并且由于黏著點的膠合作用，使得摩擦磨損系數(shù)曲線更為顛簸。

圖3 不同載荷濕潤條件下摩擦磨損試驗后WC10Co4Cr涂層表面磨痕SEM形貌Fig.3 SEM appearance of wear mark on WC10Co4Cr coating after friction and wear test under different load

圖4 干、濕條件下WC10Co4Cr涂層不同載荷摩擦系數(shù)-時間曲線圖Fig.4 Friction coefficient time curve of WC10Co4Cr coating under different loads under dry and wet conditions

圖5 干、濕兩種條件下WC10Co4Cr涂層不同載荷摩擦系數(shù)對比Fig.5 Comparison of friction coefficients of WC10Co4Cr coating under different loads under dry and wet conditions

除此之外，在濕潤條件下涂層試樣的磨損率也低于干燥環(huán)境下的相應值。其中，400 g載荷試驗中，濕潤條件涂層磨損率為3．2×10-7g/Nmm，而干燥條件下涂層磨損率為 14．1×10-7g/Nmm；800 g 載荷試驗中，濕潤條件涂層磨損率為12．9×10-7g/Nmm，而干燥條件下涂層磨損率為53．9×10-7g/Nmm，如圖6所示。可見，0．1 mol/L 的 NaCl+Ca（OH）2混合溶液在摩擦磨損試驗中起到了明顯的潤滑作用。

圖6 干、濕兩種條件下WC10Co4Cr涂層不同載荷磨損率對比Fig.6 Comparison of wear rate of wc10co4cr coating under different load under dry and wet conditions

3 結(jié) 論

研究利用超音速等離子噴涂技術(shù)在Q235鋼表面成功制備了WC10Co4Cr涂層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，WC10Co4Cr涂層在干燥條件下主要以磨粒磨損為主，在 0．1 mol/L 的 NaCl+Ca（OH）2混合溶液濕潤條件下以黏著磨損為主，涂層在濕潤條件下的摩擦系數(shù)和磨損率都遠低于干燥條件下的相應值。在不考慮電化學腐蝕的基礎上，混合溶液在摩擦磨損試驗中起到明顯的潤滑作用。下一階段的工作任務將重點研究超音速等離子噴涂WC10Co4Cr涂層在0．1 mol/L的NaCl+Ca（OH）2混合溶液條件下的物相變化和電化學腐蝕性能，從而綜合評估該涂層在干、濕條件下的服役情況。同時，由于WC10Co4Cr粉末顆粒熔點高，本次研究中涂層表面存在一定量半熔化或未熔化的粉末顆粒，若后期工藝優(yōu)化后并使涂層孔隙率減小，WC10Co4Cr涂層的耐磨損性能預計會進一步提升。