WC-10Co4Cr/WC-10Ni 耐磨耐腐蝕涂層制備與研究

熊學(xué)威,康忠明

（1. 廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東 廣州 510650； 2. 廣東粵科新材料科技有限公司，廣東 佛山 528225）

0 引言

超音速火焰噴涂（HVOF），是將燃料（煤油）和助燃劑（氧氣）按照一定的比例輸入燃燒室而產(chǎn)生高速熱氣流，同時由載氣（N2）將噴涂粉末送入高溫射流中使粉末加熱熔化和加速的方法［1］。由于射流通過噴管時受到水冷壁的壓縮，離開噴嘴后燃燒氣體迅速膨脹，產(chǎn)生2 倍以上音速的超音速火焰，并將熔融微粒噴射到基材表面形成涂層，以此改善材料表面的物理化學(xué)性能。超音速火焰噴涂制備出的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度好、耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在石油化工、海洋工程、航空航天等諸多領(lǐng)域中［2-5］。WC是常用的超音速火焰噴涂材料，其具有較好的彈性模量和較高的硬度，但韌性較差。將WC 與鈷、鎳等金屬相相結(jié)合［6-9］，可以提高涂層的韌性，同時具有高的硬度和高的韌性。以Co 為粘結(jié)相的WC-Co 系合金，憑借其優(yōu)異的性能成為應(yīng)用最廣泛的陶瓷涂層，該系列涂層硬度高、耐磨性好，但脆性較大，可以通過增加Co 含量來提高涂層的韌性。但是，由于鈷元素存量較少，WC-Co 系合金粉末價格昂貴、抗氧化抗腐蝕性能差，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。Ni 與Co同屬鐵族，其具有與Co 相似的性質(zhì)，并且具有優(yōu)良潤濕WC 的功能，同時耐腐蝕性能和抗氧化性能較好。蔣永兵等［10］采用超音速火焰噴涂技術(shù)，在304不銹鋼基體上制備了WC-10Co4Cr 涂層并進(jìn)行了真空重熔，重熔可提高涂層的硬度和耐磨性。Shi等［11］采用激光熔覆，在Cr12MoV 模具鋼上制備了Al2O3增強(qiáng)WC-10Co4Cr 涂層，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂層的硬度明顯提高、摩擦系數(shù)降低、磨損率下降。Singh 等［12］在SS-316 基體上微波熔覆了WC-10Co4Cr 涂層，其硬度明顯提高，但在3.5%的NaCl 溶液中的耐腐蝕性低于基體。李博［13］采用超音速火焰噴涂，在Ti55531 鈦合金基體上制備了WC-10Co4Cr 和WC-17Co 涂層，對比了涂層的顯微硬度和耐蝕性等并發(fā)現(xiàn)，兩種涂層硬度和耐蝕性均高于基體，其中WC-10Co4Cr 的硬度更高、耐腐蝕性更好。Tian 等［14］在316L 上制備了超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr 涂層和環(huán)氧樹脂封孔后處理的WC-10Co4Cr 涂層，封控涂層比噴涂涂層具有更高的抗腐蝕和抗氣蝕性能。Zhou 等［15］采用超音速火焰噴涂技術(shù)，在35CrMo 鋼基體上制備了常規(guī)和雙峰結(jié)構(gòu)的WC-10Co4Cr 復(fù)合涂層并發(fā)現(xiàn)，雙峰涂層具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)、更低的孔隙率和更好的耐腐蝕性能。Ding 等［16］在304 不銹鋼基體上通過不同燃料類型的超音速火焰噴涂系統(tǒng)，制備了多尺度WC 顆粒的WC-10Co4Cr 涂層并發(fā)現(xiàn)，高速氧液體燃料噴涂的涂層孔隙率更低、機(jī)械性能更優(yōu)。

本文采用超音速火焰噴涂制了WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層，研究分析兩種涂層的硬度、結(jié)合強(qiáng)度、摩擦磨損性能和耐鹽霧腐蝕性能，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

基體材料為304 不銹鋼板，噴涂前用白剛玉進(jìn)行噴砂處理，噴砂后采用丙酮洗去油污和殘余顆粒。試驗(yàn)選用WC-10Co4Cr 和WC-10Ni 粉末，粉體粒徑均在5—35 μm，合金粉末的化學(xué)成分列于表1。

表1 噴涂粉末的化學(xué)成分組成Table1 Chemical compositions of the spraying powders

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用超音速火焰噴涂技術(shù)，其工藝參數(shù)列于表2。

表2 超音速火焰噴涂工藝參數(shù)Table2 Process parameters of supersonic flame spraying

1.3 測試方法

噴涂后采用線切割設(shè)備對試樣進(jìn)行切割，切割的尺寸按照不同試驗(yàn)所需的規(guī)格進(jìn)行。切割完成的樣品采用200、400、800、1 000 和1 200#砂紙依次進(jìn)行打磨，以去除線切割的痕跡和熱影響區(qū)，再進(jìn)行鏡面拋光。

采用H-500D 型顯微硬度儀對涂層的硬度進(jìn)行測試，加載力為0.2 kg、保荷時間15 s，測量5 個點(diǎn)的硬度取平均值。采用GP-TS2000M 型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對涂層進(jìn)行杯突和結(jié)合強(qiáng)度的測試，樣品杯突規(guī)格為76 mm×44 mm×1.4 mm，杯突樣品的涂層厚度為0.1 mm，采用直徑20 mm 的鋼球，以6 mm·min-1的速度向杯突板無涂層面壓入，壓入深度為10 mm，觀察杯突實(shí)驗(yàn)后涂層表面的裂紋情況。結(jié)合強(qiáng)度樣品的涂層厚度為0.2 mm，粘結(jié)劑采用E7 膠，固化溫度100 ℃、固化時間180 min。采用NUS-ISO3 型磨耗機(jī)進(jìn)行摩擦性能測試，使用180#的SiC 砂紙，壓力設(shè)置為30 N、往復(fù)速率40 次·min-1、砂紙輪轉(zhuǎn)動一次的角度為0.9 °，轉(zhuǎn)動一周樣品即往復(fù)磨損400回，磨損完成一次后用壓縮空氣吹干樣品表面，用精度為0.1 mg 的分析天平測量其磨損失重。采用LEICA DM4M 型金相顯微鏡觀測涂層的表面形貌，并采用圖像分析軟件Image J 通過灰度法計(jì)算涂層的孔隙率。采用KD-120 鹽霧噴霧試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行500 h 鹽霧試驗(yàn)，根據(jù)腐蝕狀況分析涂層的耐腐蝕性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 組織形貌

圖1 為WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層的金相照片。從圖1 中可以看出，WC-10Co4Cr 和WC-10Ni 涂層的組織細(xì)密均勻，無明顯的裂紋和夾雜等組織缺陷。

圖1 涂層金相圖Figure 1 Optical microstructure of the coating

對涂層的顯微硬度、孔隙率進(jìn)行測試，結(jié)果列于表3。由表3 可知，WC-10Co4Cr 涂層的顯微硬度及孔隙率均優(yōu)于WC-10Ni 涂層。

表3 WC-10Co4Cr 和WC-10Ni 涂層硬度的測試結(jié)果Table 3 Test results of WC-10Co4Cr and WC-10Ni coating hardness

2.2 力學(xué)性能分析

圖2 為WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層的杯突形貌圖。從圖2 中可以看出：WC-10Co4Cr 和WC-10Ni 涂層的杯突表面整體連續(xù)均勻，有肉眼可見的龜裂，無涂層剝落現(xiàn)象，表明2 種涂層的韌性均較好；其中，WC-10Co4Cr 涂層與WC-10Ni 涂層相比，WC-10Co4Cr 涂層杯突裂紋更多、更短，而WC-10Ni 涂層裂紋較少、較長。

圖2 涂層的杯突形貌圖Figure 2 Erichsen test images of the coating

圖3 為WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層的結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果。從圖3 可以看出，WC-10Co4Cr涂層的結(jié)合強(qiáng)度明顯高于WC-10Ni 的結(jié)合強(qiáng)度，WC-10Co4Cr 涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為88 MPa，而WC-10Ni 涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為72 MPa， WC-10Co4Cr 涂層的結(jié)合強(qiáng)度比WC-10Ni 涂層提高了22%。這可以解釋為鈷與WC 的潤濕性優(yōu)于鎳與WC 的潤濕性，因此WC-10Co4Cr 涂層的結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于WC-10Ni 涂層。

圖3 涂層結(jié)合強(qiáng)度比較圖Figure 3 Histogram of bond strength of the coating

2.3 耐磨性分析

圖4 為WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層的磨損數(shù)據(jù)圖。從圖4 中可以看出：WC-10Co4Cr 和WC-10Ni 涂層的磨損失重隨著時間的增加而直線增加，2 種涂層的失重速度在前1 200 次明顯高于后面800 次，這是由于摩擦度過了磨合期后進(jìn)入平穩(wěn)磨損階段，因而磨損速率減慢；WC-10Ni 涂層的失重明顯高于WC-10Co4Cr 涂層，二者的失重差距隨著往復(fù)次數(shù)的增加而明顯拉大，在2 000 次時達(dá)到最大，此時WC-10Ni 涂層的失重質(zhì)量約為WC-10Co4Cr 涂層的1.4 倍。一般情況下，涂層的致密度、耐磨損性能和硬度與黏結(jié)相緊密相關(guān)，黏結(jié)相與WC 顆粒結(jié)合力越好涂層的力學(xué)性能越好，鈷與WC 的潤濕性優(yōu)于鎳的，因此含鎳的WC 涂層耐磨性能更差。

圖4 摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)p量比較Figure 4 Wear weight loss of the coating

2.4 耐腐蝕分析

圖5 為WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層經(jīng)過500 h 鹽霧腐蝕后的腐蝕形貌。從圖5 中可以明顯看出，WC-10Co4Cr 涂層經(jīng)過500 h 鹽霧腐蝕后有明顯的凹坑，而WC-10Ni 涂層則并沒有明顯的凹坑。由此可以看出，WC-10Ni 涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于WC-10Co4Cr 涂層。

圖5 涂層鹽霧腐蝕形貌Figure 5 Salt spray corrosion morphology of the coatings

3 結(jié)論

（1）WC-10Co4Cr 涂層和WC-10Ni 涂層，組織致密均勻、結(jié)構(gòu)緊湊，與基體結(jié)合效果好。

（2）WC-10Co4Cr 涂層的硬度和耐磨性明顯優(yōu)于WC-10Ni 涂層，而耐腐蝕性能弱于WC-10Ni涂層。