超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr 粒子行為試驗(yàn)研究

韓 旭 ， 杜修忻 ， 郭孟秋 ， 陶春虎

（1.95959 部隊(duì)，北京 100076；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.中國航發(fā)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

在裝備服役過程中，磨損和腐蝕是零部件失效的主要原因之一[1-2]，而超音速火焰噴涂碳化鎢-鈷鉻涂層因具有良好的耐磨、耐沖蝕和耐腐蝕性能，成為廣泛應(yīng)用的磨損和腐蝕防護(hù)手段[3-4]。在超音速火焰噴涂工藝過程中，粉末顆粒被注入焰流而加熱至半熔融狀態(tài)，同時(shí)加速至音速以上，從而在基體表面形成致密的涂層，所以焰流中粒子的速率和溫度對涂層的性能具有決定性的影響[5-9]。為了獲得孔隙率較低的涂層，粉末顆粒需要達(dá)到熔融或半熔融狀態(tài)，這需要粒子達(dá)到一定的溫度；但當(dāng)溫度升高時(shí)，碳化鎢顆粒又會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的脫碳，導(dǎo)致涂層脆性增加，同時(shí)溫度的升高又容易導(dǎo)致涂層材料的氧化、降低涂層致密性[10-12]。熱噴涂監(jiān)控裝置可以測量焰流中粉末顆粒的溫度和速率，有助于分析噴涂過程中粒子的基本特征[13-14]。在過去的20 年中，熱噴涂監(jiān)控裝置獲得了較大的發(fā)展，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)粒子特征的測量[15-16]。熱噴涂監(jiān)控裝置的出現(xiàn)，使焰流中單個(gè)粒子速率和溫度的在線測量成為可能，同時(shí)，其XY 掃描單元還可以獲得焰流中大量粉末粒子特征的剖面分布規(guī)律。

本研究采用DPV-eVOLUTION 型熱噴涂監(jiān)控裝置，對超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr 過程中的粉末粒子特性進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析噴涂工藝參數(shù)對火焰中粒子的溫度、速率的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 噴涂粉末

研究所采用的粉末為團(tuán)聚燒結(jié)型WC-10Co4Cr（牌號為Metco5847），粉末的粒度組成分布采用MS Hydro2000MU 儀器進(jìn)行測定，結(jié)果如圖1 所示，其中d0.5為30 μm。圖2 為粉末的表面形貌和截面形貌，可見，噴涂粉末由大量疏松顆粒組成，而單個(gè)顆粒則由粘結(jié)相和WC 顆粒組成。

圖1 粉末粒度分布Fig.1 Powder size distribution

圖2 典型粉末微觀形貌Fig.2 Typical powder microstructure

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用DJ2700 型超音速火焰噴涂（HVOF）設(shè)備進(jìn)行噴涂，以丙烷作為燃料氣體，噴涂參數(shù)見表1。對焰流中粉末顆粒特征進(jìn)行測量的系統(tǒng)為DPV-eVOLUTION，該系統(tǒng)使用紅外高溫計(jì)和雙狹縫光學(xué)儀對飛行中的單個(gè)粉末顆粒進(jìn)行測量，自動(dòng)尋找粒子通量最大的區(qū)域作為中心。粒子特征剖面分布圖通過XY 掃描單元實(shí)現(xiàn)，對于每個(gè)剖面，測量區(qū)域?yàn)?0 mm×20 mm，步長為4 mm；系統(tǒng)測溫精度為2.5%，速率測量精度為0.5%。

表1 噴涂參數(shù)Table 1 Spray parameters

為了研究噴涂工藝參數(shù)對粒子特性的影響，本試驗(yàn)采用表2 中的工藝參數(shù)，主要對不同噴涂距離和氣體流量條件下的粒子特性進(jìn)行分析。

2 分析與討論

2.1 焰流中的粒子特征

對于DPV-eVOLUTION 系統(tǒng)，溫度測量是基于雙波長高溫計(jì)理論，假設(shè)受熱粒子是灰體輻射，而且在給定的噴涂條件下，所有粒子的輻射率均為常數(shù)，若給定溫度，則粒子的大小和形狀會(huì)改變粒子信號的幅值。假設(shè)是球形粒子，信號幅值與粒子直徑的平方成正比。在本試驗(yàn)中，Metco5847粉末的輻射率是未知的，但通過激光粒徑儀可以測出粉末的粒徑（圖1），將測得的d0.5作為平均粒徑輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)擬合算出校準(zhǔn)因子。

表2 工藝參數(shù)分析表Table 2 Analysis of spray parameters

采用激光粒徑儀測量和DPV 系統(tǒng)計(jì)算的粉末粒徑分布見圖3，可以看出，經(jīng)過校準(zhǔn)后，DPV測算出的粉末粒度分布與其真實(shí)粒度分布吻合較好，測算值比真實(shí)值稍大，這可能是在受熱狀態(tài)下，粒子直徑膨脹導(dǎo)致的。故在得知粉末平均粒徑的基礎(chǔ)上，DPV 測算粉末粒度的結(jié)果是可靠的。

圖3 激光粒徑儀測出和DPV 系統(tǒng)計(jì)算出的粉末粒徑分布Fig.3 Powder size distribution of laser particle instrument measured and DPV system calculated

在火焰某截面處粒子通量最高區(qū)域的粉末速率、溫度分布如圖4 所示，2 種分布呈現(xiàn)出較好的高斯分布特征，表明火焰中大部分粒子的溫度和速率位于一個(gè)較為集中的區(qū)間。圖5a 為對大量粉末粒子的速率、溫度與直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得的關(guān)系圖，可以看出，隨著粒子直徑的增加，粒子的速率、溫度均呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖4 粒子通量最高區(qū)域的粉末速率和粉末溫度分布圖Fig.4 Velocity and temperature distribution of powder at max particle flux

圖5 大量粉末粒子的速率、溫度與直徑的關(guān)系圖Fig.5 Diagram of a large amount of powder particles velocity, temperature and the diameter

圖6 為DPV 系統(tǒng)測量的在火焰某截面處粒子流量、直徑、溫度和速率的剖面分布圖。十字標(biāo)記的位置是粒子流的中心線，也即火焰束流中心，在此處具有最大的粒子通量。從圖6a 中可以看出，粉末粒子的流量以焰流中心對稱分布，在該位置粉末主要集中在直徑約15 mm 的區(qū)域；圖6b顯示，在束流中心主要聚集粒徑在30～35 μm 的粉末粒子，粒徑小于26 μm 的粒子集中于上下2 個(gè)區(qū)域，相反的，粒徑大于35 μm 的粒子則主要分布在左右2 個(gè)區(qū)域；圖6c 顯示，火焰中心區(qū)域的粒子并不具有最高的溫度，而是與火焰中的位置和粒子粒徑均相關(guān)，如在火焰中心附近的小尺寸粒子具有最高的溫度，而火焰邊緣的大尺寸粒子具有最低的溫度；從圖6d 的速率分布圖還可以看出，粒子速率與粒子粒徑具有較高的相關(guān)性，越小粒徑的粒子具有越高的速率。

圖6 焰流中粉末粒子特征的剖面分布圖Fig.6 Sectional distribution characteristics of powder particles in the flame

2.2 噴涂參數(shù)對粒子行為的影響

圖7 、圖8 分別為粒子速率與噴涂距離、氣體流量的關(guān)系曲線，均包括大量粒子速率的分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和平均數(shù)據(jù)隨噴涂參數(shù)的變化趨勢，粒子速率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表3、表4。

從圖7a、表3 可以看出：在噴涂距離為150 mm時(shí)，10%的粒子具有低于498 m/s 的速率，10%的粒子具有高于671 m/s 的速率，即80%的粒子速率為498～671 m/s，分布寬度為173 m/s；當(dāng)噴涂距離增加時(shí)，分布寬度呈減小趨勢，這說明噴涂距離的適當(dāng)增加有利于涂層組織的均勻性。圖7b 中的粒子平均速率變化趨勢顯示，隨著噴涂距離的增加，粒子平均速率先增加后減小，并且在噴涂距離為200 mm 左右達(dá)到最高值，約為566 m/s；噴涂距離為200～300 mm，粒子速率略微減小，但趨勢較緩；噴涂距離大于300 mm 的噴涂距離條件下，粒子速率急劇降低。

從圖8a、表4 可以看出，當(dāng)氣體流量增加時(shí)，粒子的速率增加，粒子速率分布變寬，但當(dāng)氣體流量為30%～39%時(shí)，粒子速率的分布寬度接近。圖8b中的粒子平均速率變化趨勢顯示，隨著氣體流量的增加，粒子平均速率呈單調(diào)上升的趨勢，這與文獻(xiàn)[17]中的結(jié)果相一致，而當(dāng)氣體流量增加至35%以上時(shí)，粒子速率達(dá)到極限。

圖7 粒子速率與噴涂距離的關(guān)系曲線Fig.7 Particle velocity at different spray distance

圖8 粒子速率與氣體流量的關(guān)系曲線Fig.8 Particle velocity at different gas flow rate

表3 不同噴涂距離下的粒子速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics of particle velocity at different spray distance

表4 不同氣體流量下的粒子速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Statistics of particle velocity at different gas flow rate

圖9、圖10 分別為粒子溫度與噴涂距離、氣體流量的關(guān)系曲線，均包括大量粒子溫度的分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和平均數(shù)據(jù)隨噴涂參數(shù)的變化趨勢，粒子溫度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表5、表6。

從圖9a、表5 可以看出：在噴涂距離為150～200 mm 時(shí)，粒子溫度分布寬度為433 ℃；當(dāng)噴涂距離增加時(shí)，粒子溫度分布寬度小幅變化；但當(dāng)噴涂距離為350 mm 時(shí)，粒子溫度分布寬度明顯變寬，達(dá)到480 ℃。圖9b 中的粒子平均溫度變化趨勢顯示，當(dāng)噴涂距離從150 mm 增加至200 mm時(shí)，粒子平均溫度從1930 ℃增加至最高值1960 ℃，當(dāng)噴涂距離繼續(xù)增加時(shí)，粒子溫度稍有降低并相對穩(wěn)定在1905～1925 ℃之間。

從圖10a、表4 可以看出，當(dāng)氣體流量增加時(shí)，粒子的溫度升高，粒子溫度分布變寬，但當(dāng)氣體流量為25%～39%時(shí)，粒子溫度的分布寬度均小于450 ℃。圖10b 中的粒子平均溫度變化趨勢顯示，當(dāng)氣體流量從25%增加至30%時(shí)，粒子平均溫度從1845 ℃增至1885 ℃，當(dāng)氣體流量再增加時(shí)，粒子溫度緩慢升高。

圖9 粒子溫度與噴涂距離的關(guān)系曲線Fig.9 Particle temperature at different spray distance

圖10 粒子溫度與氣體流量的關(guān)系曲線Fig.10 Particle temperature at different gas flow rate

表5 不同噴涂距離下的粒子速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistics of particle velocity at different spray distance

表6 不同氣體流量下的粒子速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistics of particle velocity at different gas flow rate

涂層性能是由噴涂工藝參數(shù)決定的。在一般情況下，較高的粒子速率和溫度會(huì)獲得孔隙率低、硬度高的涂層，但當(dāng)粒子溫度過高時(shí)，基體溫度和涂層殘余應(yīng)力也相應(yīng)增大，脫碳也逐漸嚴(yán)重。在實(shí)際涂層制備過程中，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膰娡烤嚯x、氣體流量，以獲得較高的粒子速率和合適的粒子溫度。

3 結(jié)論

1）粒子速率、粒子溫度和粒子直徑并不沿火焰中心線對稱分布。

2）在噴涂過程中，直徑較小的顆?？梢垣@得更高的速率。

3）當(dāng)噴涂距離增加時(shí)，粒子的速率、溫度均存在極大值；氣體流量的增加導(dǎo)致粒子溫度、速率提高；在確定噴涂參數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮噴涂距離和氣體流量以獲得較高的粒子速率和合適的粒子溫度。