超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层组织及耐磨耐蚀性研究

江利丰， 张广伟,2

(1.大连华锐重工特种备件制造有限公司，辽宁 大连 116052；2.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110178)

超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层组织及耐磨耐蚀性研究

江利丰1， 张广伟1,2

(1.大连华锐重工特种备件制造有限公司，辽宁 大连 116052；2.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110178)

采用超音速火焰喷涂工艺在不同喷涂距离下制备了WC-10Co4Cr涂层，并对其组织结构及耐磨耐腐蚀性能进行了研究。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析了涂层的组织结构和相组成，并测试了涂层显微硬度、孔隙率；对涂层磨损表面进行了观察分析，探讨了涂层的失效形式。结果表明，喷涂距离对涂层的组织结构及耐磨性具有一定影响。适当增加喷涂距离，粒子由于在焰流中停留时间增加而使熔化程度加大，撞击基体后扁平化现象明显。因此，涂层的致密度、耐磨性、耐腐蚀性都有所提高。当喷涂距离为380 mm时，涂层呈现出较好的耐磨性及耐腐蚀性。

超音速火焰喷涂； WC-10Co4Cr涂层； 喷涂距离； 耐磨性； 耐腐蚀性

超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，简称为HVOF)技术是20世纪80年代发展起来的一种火焰喷涂技术[1]，因具有较快的焰流速度、较低的焰流温度，能有效地抑制碳化物颗粒分解[2]，获得结合强度高、致密性好、碳化物含量高、耐磨性能优越的涂层，可提高零部件的使用寿命。因此，超音速火焰喷涂技术在航空航天、石油、能源、汽车、冶金、矿山、化工等工业领域获得了广泛应用[3-5]。

WC粉末常被用于制备耐腐蚀及耐磨涂层，其陶瓷相WC具有很高的硬度、耐磨性及耐腐蚀性，其金属黏结相Co具有较好的韧性，Cr的添加可以在其表面形成CrO钝化膜，防止腐蚀的进一步加剧，从而提高涂层的耐腐蚀能力[6-8]。C.W.Lee等[9]使用不同粒度的WC粉末，利用超音速火焰喷涂技术制备了具有较高断裂韧性和耐磨损的涂层组织。

在不同工艺参数下制备的涂层耐腐蚀性差异很大。因此，本文采用不同的喷涂距离，使用超音速火焰喷涂方法制备涂层，并对其耐磨性和耐腐蚀性进行研究及讨论。

1 实验材料和方法

实验基体为Q235钢，其规格为20 mm×20 mm×3 mm；喷涂材料为WC-10Co4Cr团聚粉末，其粒度为15～45 μm。采用超音速火焰喷涂工艺制备WC-10Co4Cr涂层，其厚度为0.15～0.20 mm。超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层的工艺参数见表1。

表1 超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层的工艺参数

使用岛津7000 型X射线衍射仪、日立S3400扫描电子显微镜和HVS-5型维氏硬度计等手段，对涂层组织及性能进行检测；利用MMW-1型立式万能摩擦磨损实验机进行摩擦磨损实验，对磨材料为淬火的45钢。实验接触面压力为200 N，转速为500 r/min，磨损时间为60 min。对WC-10Co4Cr涂层进行乙酸盐雾实验。将NaCl溶于蒸馏水中，其质量浓度为50 g/L。用冰乙酸调节盐溶液的pH 至3.1～3.3。实验温度为35 ℃，饱和空气桶温度为63 ℃，腐蚀时间为24 h。实验结果采用失重法进行评定。实验前，首先用精度为0.000 1 g的电子天平称量试件的质量，并采用游标卡尺测量试件尺寸，以计算试件表面积，然后将涂层试样和基体试样一起放入盐雾箱中进行实验。24 h后取出试件并进行清洗，然后放置在110 ℃的烘干箱中烘干6 h；用精度为0.000 1 g的电子天平称量，计算失重量和单位面积失重率；与Q235钢试件进行对比分析，归纳总结实验数据并进行讨论。

2 实验结果与分析

2.1 涂层微观组织分析

不同喷涂距离下涂层的XRD谱图如图1所示。由图1可知，喷涂距离(用x表示，下同)的不同并没有影响涂层的组成成分，三组试样的成分相同，均为WC以及Co6W6C相，并且峰强变化不大，可以认为其含量区别不大。

图1 不同喷涂距离下涂层的XRD谱图

涂层截面形貌、灰度化照片及局部放大形貌如图2所示。

(a) x=340 mm

(b) x=360 mm

(c) x=380 mm图2 涂层截面形貌、灰度化照片及局部放大形貌

由图2可知，从总体上看涂层均较为致密，但存在少量孔隙。由图2(a)可知，孔隙较大且不规则，局部出现密集型气孔，说明喷涂粒子存在熔化状态不良的情况，形成涂层时扁平化过程不充分；由图2(b)可知，当增加喷涂距离时，涂层孔隙率明显减少，粒子熔融状态良好；由图2(c)可知，当喷涂距离达到380 mm时，涂层最为致密，粒子扁平化程度充分。通过ImageJ软件灰度化处理后，测定了涂层的孔隙率。喷涂距离分别为340、360、380 mm时，涂层的孔隙率分别为2.66%、1.40%、0.41%。此外，从图2中局部放大形貌也能明显地看出，涂层孔隙率随喷涂距离的减少而增大。其主要原因是：当喷涂距离较近时，粒子在焰流中没有足够的停留时间，因此不能充分熔融，撞击到基体上时无法充分扁平化而留有较大孔隙[10-11]；适当增加喷涂距离后，粒子在焰流中的熔融效果较好，涂层也更加致密。

涂层组织局部放大图如图3所示，图3中各微区的能谱检测结果即各微区的元素组成见表2。与XRD结果(图1)相似，各试件的总体元素组成相同。图3中，A相主要为WC，B相主要为Co6W6C，由于经历喷涂时的高温，块状WC边缘部分熔化，导致部分WC相分解，其中W和C会溶入到B相中,其中还会有一些微细的未溶的WC微粒。

(a) x=340 mm (b) x=360 mm (c) x=380 mm图3 涂层组织局部放大图表2 各微区的元素组成 %

2.2 涂层显微硬度分析

各涂层沿厚度方向的显微硬度曲线如图4所示。从图4可以看出，涂层硬度随着喷涂距离的增加而增大；喷涂距离增大，涂层的致密度有所提高。对WC-10Co4Cr来讲，致密度与其硬度成正比，随着致密度的增加、孔隙率的降低，硬度呈上升趋势，这与王振强等[12]的研究结果相似。

图4 各涂层沿厚度方向的显微硬度曲线

2.3 涂层结合强度分析

由于采用标准涂层结合强度测定方法GB/T 8642—1988测定其结合强度时，涂层结合强度大于黏结胶固化后的自身强度(约70 MPa)，拉伸时从固化胶内部断裂，因此无法测得涂层真实的结合强度。

为了测定涂层的真实结合强度，采用了特制的测试试件，其尺寸及装配图如图5所示。

(a) 上试样 (b) 下试样 (c) 试样装配图图5 特制测试试件的尺寸及装配图(单位：mm)

涂层结合强度计算式为：

式中，σb为涂层的结合强度，MPa；P为涂层与试件销拉断载荷，N；φ为销直径，mm。

为了防止涂层发生剪切破断，销的直径必须很小，本实验中设定φ=4 mm；实验中每组为3个试件，分别测定其结合强度，然后取其平均值。喷涂距离不同的各涂层的结合强度见图6。由于喷涂粒子之间的结合仍属于机械结合，因此抗拉强度均在70 MPa上下。虽然其值与冶金结合状态的Co-Cr-WC(如堆焊组织)的强度相差较大，但也基本达到了超音速火焰喷涂涂层的结合强度水平。涂层拉伸强度与孔隙率有较大联系，当喷涂距离为380 mm时孔隙率最低，结合强度最大。由于WC-10Co4Cr涂层是一种脆性材料，对缺口敏感性极强，其中的孔隙作为微观的缺口，是降低其结合强度的主要原因。

图6 喷涂距离不同的各涂层的结合强度

2.4 涂层耐磨性能分析

涂层进行磨损实验后的表面形貌及局部放大形貌如图7所示。

x=340 mm x=360 mm x=380 mm (a) 涂层表面形貌

x=340 mm x=360 mm x=380 mm (b) 局部放大形貌图7 磨损后的涂层表面形貌及局部放大形貌

观察图7发现，在不同的喷涂距离下制备的涂层，其磨损均为黏着磨损。两对磨面在接触过程中因分子间结合力的作用而被焊合，当接触面结合力大于其黏结相的强度时，接触面则脱离涂层表面，黏结磨损就是在不断的脱离和焊合的过程中产生的[13]。从图7(b)可以看出，黏焊形貌十分明显，可以确定此磨损为黏着磨损。由图7(a)可知，喷涂距离为340 mm时磨损程度最高，喷涂距离为360 mm时次之，喷涂距离为380 mm时最低，换言之，随着喷涂距离的增加，涂层的耐磨性能逐渐提高。

2.5 涂层耐腐蚀性能分析

盐雾腐蚀后的表面形貌如图8所示。从图8可以看出，总体上看各涂层的腐蚀程度相差不大，腐蚀面上没有明显的锈斑和腐蚀坑，属于均匀腐蚀。无涂层保护的Q235钢受腐蚀较为严重，已产生较为明显的锈斑。

(a)x=340mm(b)x=360mm(c)x=380mm(d)Q235(无涂层)

图8 盐雾腐蚀后的表面形貌

腐蚀前后的实验数据对比见表3。由表3可知，WC-10Co4Cr涂层具有良好的耐腐蚀性能，而Q235钢的耐腐蚀性能较差，受腐蚀程度接近WC-10Co4Cr涂层的10倍。从3组试样的单位面积失重率可以看出，喷涂距离为380 mm时涂层耐腐蚀性能最好；从总体上看，随着喷涂距离的增加，涂层的耐腐蚀性能随之增加。产生这一现象的原因是涂层的致密度较高，孔隙率较低，加之CrO提供的钝化效果使盐雾被阻挡在涂层表面之外，减慢腐蚀进程；当喷涂距离较近时，涂层孔隙率较大，盐雾会进入孔隙的区域加速腐蚀。

表3 腐蚀前后的实验数据对比

3 结 论

(1)适当增加喷涂距离，粒子在焰流中停留时间延长，提高涂层的致密度。实验中发现，当喷涂距离增大到380 mm时，涂层各方面的力学性能最好。

(2)通过磨损实验发现，黏着磨损为其主要发生机理。在盐雾腐蚀过程中，腐蚀表面较为均匀，相对于基体组织，涂层防护效果较为明显。

(3)虽然在喷涂过程中不可避免有部分WC相分解，但WC-10Co4Cr涂层的硬度最高可以达到1 400 HV，采用超音速火焰方法制备涂层，能够最大程度地保留材料的原始性能。

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(编辑 宋锦玉)

Study on the Microstructure and Wear/Corrosion Resistance of WC-10Co4Cr Coating Deposited by High Velocity Oxy-Fuel

Jiang Lifeng1, Zhang Guangwei1,2

(1.DalianHuaruiHeavyIndustrialSpecialSpearPartsCo.,Ltd.，DalianLiaoning116052，China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ShenyangUniversityofTechnology，ShenyangLiaoning110178，China)

WC-10Co4Cr coatings were prepared by high velocity oxy-fuel with different spray distances. The internal structure and wear/corrosion resistance of the coating were studied. The internal structure and phase composition of the coating were analyzed by Metallographic microscope, SEM and XRD. The microscopic structure, microhardness, porosity, density, wear/ corrosion resistance properties were tested. The results showed that the particle stayed in the jet for longer time and in the process of spraying it enlarged the melting degree as the distance increased. As a result, complete flattening of particles was gained which increased the density of coating and the property of wear resistance and corrosion resistance. The coating showed the best property of wear resistance and corrosion resistance at the spray distance of 380 mm.

High velocity oxy-fuel； WC-10Co4Cr coatings； Spray distance； Wear resistance； Corrosion resistance

1672-6952(2017)02-0054-06

2017-01-05

2017-02-08

国家自然科学基金项目(51301112)；沈阳市科学技术基金项目(F14-231-1-26)。

江利丰(1965-)，男，工程师，从事特种焊接及表面强化技术方面的研究；E-mail：jianglf5098@sina.com。

张广伟(1981-)，男，博士研究生，从事特种焊接及表面强化技术方面的研究；E-mail：zgw2006094@163.com。

TQ050.4+4

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.02.012

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn