超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr涂层的性能表征

陈志坤，张忠诚，朱晖朝，黄 健，陈焕涛，吴 健，倪伟邦

广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)，广东 广州 510650

超音速火焰喷涂工艺可在工件表面制备耐磨、耐腐蚀涂层，能够大幅度提高工件的使用寿命，目前广泛应用于航空航天、石油化工、汽车、船舶、冶金及造纸等行业中[1-5].超音速火焰喷涂的喷距较远，枪体较大，一般只能用于工件外表面及较大直径的工件内表面的涂层制备，无法对中小孔径的内表面进行喷涂.内孔热喷涂具有喷涂距离短、功率小、枪体紧凑的特点，能够在如缸套、缸体等深内孔工件内表面制备耐磨、耐腐蚀涂层[6-13].

内孔超音速火焰喷涂(ID-HVAF)与常规超音速火焰喷涂(HVAF)在设计和应用上的差别，使得所制备涂层的组织及性能产生一定的不同.本文采用ID-HVAF和HVAF工艺制备WC-10Co-4Cr涂层，并对两种工艺所制备的WC-10Co-4Cr涂层的组织结构和涂层性能进行分析，从而为ID-HVAF喷涂的应用提供依据.

1 试验部分

1.1 试 样

试样的基体材料为304不锈钢钢板.喷涂前用丙酮对试样表面进行清洗除油，以及喷砂处理.喷砂砂粒为24号棕刚玉，喷砂压力为0.4 MPa.WC-10Co-4Cr喷涂粉末粒度为5～30 μm，粉末成份列于表1，粉末的显微形貌如图1所示.

表1 喷涂粉末的化学组成成分Table 1 Chemical compositions of the spraying powders

图1 WC-10Co-4Cr粉末形貌图Fig.1 Micrograph of the WC-10Co-4Cr powder

1.2 方 法

内孔超音速火焰喷涂采用AK04喷枪，超音速火焰喷涂采用AK07喷枪，二者均为为美国Kermetico公司的产品.ID-HVAF喷枪的功率约为38 kW，HVAF喷枪的功率约为200 kW.超音速火焰喷涂参数列于表2.

表2 超音速火焰喷涂参数Table 2 Spray parameters of ID-HVAF and HVAF

在GP-TS2000M型万能试验机上进行杯突和结合强度的测试，杯突样品的涂层厚度为0.08～0.1 mm，样品杯突规格为76 mm×44 mm×1.3 mm，用Ф20 mm的钢球，以6 mm/min的速度向杯突板无涂层面压入10 mm的深度，压完后观察突出部分的表面情况.结合强度样品的涂层厚度为0.2 mm，按照标准ASTM C633进行结合强度的测试.涂层的耐磨性在NUS-ISO3型磨耗试验机上进行，使用320号SiC砂纸带，压力为30 N，往复速率为40次/min.砂纸轮转动一次的角度为0.9 °，转动一周样品即往复磨损400回，磨损完成一遍后用压缩空气吹干样品表面，用精度为0.1 mg的分析天平测量一次磨损失重，每个样品磨损10遍，以计算其磨损失重的平均值.

用Leica DMIRM金相显微镜和JSM5910 SEM扫描电子显微镜观察涂层组织的形貌，用D/MAX-RC型X射线衍射仪对涂层的物相成分进行表征，用MH-5D数字维氏显微硬度计测量涂层的显微硬度.

2 结果与分析

2.1 组织结构

图2为WC-10Co-4Cr涂层的形貌图.从图2可以看出，涂层组织细密、均匀，界面连续、无污染物，涂层内部无裂纹、夹杂等组织缺陷.对涂层的气孔率及硬度进行测定，ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的气孔率为0.8%，涂层显微硬度(HV0.3)平均值为1110；HVAF喷涂的涂层的气孔率为0.5%，涂层显微硬度(HV0.3)平均值为1294.由此可见，ID-HVAF制备的涂层与HVAF制备的涂层的组织结构相近，但硬度稍低.

图2 WC-10Co-4Cr涂层金相图(a)ID-HVAF喷涂；(b)HVAF喷涂Fig.2 Optical microstructure of the WC-10Co-4Cr coating

HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层不仅组织结构致密均匀，而且硬度高，耐磨、耐腐蚀性能和涂层韧性均较好，是目前广泛使用的耐磨涂层制备技术[14-15].与HVAF喷枪相比，ID-HVAF喷枪的功率低、喷距短，喷涂的WC-10Co-4Cr涂层硬度略低、孔隙率略高，涂层组织结构不如超音速火焰喷涂的好.但内孔超音速火焰喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的组织形貌及涂层硬度已经与HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层非常接近，表明ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层也具有相对优异的涂层性能.

用Spraywatch系统对喷涂粉末颗粒进行测温、测速，ID-HVAF工艺的粉末颗粒速度约500 m/s，平均温度约为1700 ℃，而HVAF工艺的粉末颗粒速度约为560 m/s，温度约1450 ℃.由此可见，ID-HVAF工艺的粉末颗粒速度比HVAF的稍低，但温度显著高于HVAF的，这是为了保证在较短的喷距情况下，粉末颗粒能达到合适的受热状态.

2.2 相分析

图3为WC-10Co-4Cr涂层的XRD能谱图.从图3可以看出：两种方法喷涂的WC-10Co-4Cr涂层都是以WC相为主；ID-HVAF制备的涂层中的W2C峰值强度相对较高，这是由于内孔喷枪的粒子温度较高，涂层脱碳相对较严重；HVAF制备的WC-10Co-4Cr涂层中除了有脱碳产生的W2C相以外，还出现少量的Co3W3C相.这是由于ID-HVAF枪体设计极为紧凑，没有HVAF那样较长的喷涂距离和加热距离，燃烧室和枪嘴都较为短小.为了使粒子能够更好的熔化，只能以增大能量密度的方式，使粒子在极短的时间内迅速熔化.这一方面能够使粉末粒子在极短时间内熔化，极大改善涂层中容易产生未熔颗粒的问题，增加涂层致密度；另一方面，熔融粒子温度较高，也会加剧脱碳现象.

图3 WC-10Co-4Cr涂层XRD能谱图Fig.3 XRD patterns for WC-10Co-4Cr coating

2.3 涂层韧性

采用压痕法测量两种涂层的断裂韧性，计算公式为[16]：

式中Kc为断裂韧性值，MPa·m1/2；P为载荷力，mN；a为半压痕对角线长，μm；c为压痕中心到裂纹间断距离，μm.测得ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的断裂韧性值为2.52 MPa·m1/2，HVAF的断裂韧性值为4.5 MPa·m1/2.

图4为喷涂WC-10Co-4Cr涂层的杯突形貌图.从图4可以看出， ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的杯突表面整体连续均匀，只有可见的龟裂，无涂层剥离现象，这说明ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层韧性较好.

图4 WC-10Co-4Cr涂层的杯突形貌图(a)ID-HVAF喷涂；(b)HVAF喷涂Fig.4 Erichsen test images of the WC-10Co-4Cr coating

2.4 结合强度

图5为涂层结合强度的测试数据.从图5可以看出，ID-HVAF涂层的结合强度与HVAF的结果相近.说明ID-HVAF和HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层均具有较好结合强度.观察断口形貌可以发现，在结合强度测试过程中，断裂位置均为胶粘接的位置，涂层本身没有断裂，说明涂层内、涂层与基体的结合力均在测试数值之上，涂层的结合强度性能较好.

图5 WC-10Co-4Cr涂层结合强度比较图

Fig.5Histogram of bond strength of the WC-10Co-4Cr coating

2.5 耐磨性分析

图6为AK04-ID-HVAF内孔喷枪和AK07-HVAF超音速火焰喷涂所制备的WC-10Co-4Cr涂层的磨损失重分析图.从图6可以看出， HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层磨损量仅为ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层磨损量的55.7%.ID-HVAF喷涂涂层的磨损量较大，说明其耐磨性能相对于HVAF涂层的差.这是由于ID-HVAF内孔喷涂功率较小、喷距短，粒子在喷枪焰流中的加热时间短，与HVAF相比，熔融粒子的温度较高、速度较低，涂层致密度及结合性能较低，涂层硬度也较低.

在摩擦磨损过程中，磨粒首先磨掉Co和Cr粘结相，然后使得WC颗粒脱离涂层表面，脱落的WC粒子不参与磨损.在砂带的继续磨损下，下层的WC粒子能够继续起到耐磨硬质点的作用.显微硬度和涂层致密度是造成涂层耐磨性能差别的两个主要因素.与HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层相比，ID-HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层的显微硬度较低，涂层的孔隙率较大，在摩擦磨损过程中磨损量较大，其耐磨性能较差.

图6 摩擦磨损试验磨损量比较图

Fig.6Wear weight loss of the ID-HVAF and HVAF WC-10Co-4Cr coating

目前，工件内表面喷涂采用ID-HVOF喷涂碳化钨涂层，其硬度(HV0.3)约为900～1000、孔隙率1%～3%[12].与ID-HVOF喷涂的碳化钨涂层比较，ID-HVAF喷涂的涂层硬度高、孔隙率低，耐磨性更有显著优势.

3 结 论

(1) 内孔超音速火焰喷涂的功率较低、喷涂距离较短，结构紧凑，其焰流速度较HVAF喷枪低，熔融粒子温度较HVAF喷枪高.

(2) 内孔超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr涂层致密均匀，孔隙率较低，呈现出和HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层组织相近似的组织结构.

(3) 内孔超音速火焰喷涂WC-10C0-4Cr涂层的涂层硬度、涂层韧性和涂层耐磨性能方面较HVAF喷涂的WC-10Co-4Cr涂层略低.

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