A100鋼表面粗糙度與HVOF碳化鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度

王長(zhǎng)亮 高俊國(guó) 湯智慧

(中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京100095)

AerMet100鋼(A100鋼)自20世紀(jì)80年代被發(fā)明并應(yīng)用以來(lái)，是飛機(jī)上應(yīng)用的強(qiáng)度、斷裂韌性最高的結(jié)構(gòu)鋼［1］.誕生于同一時(shí)期的超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF，High Velocity Oxygen Fuel spraying)［2］也快速發(fā)展，并在航空領(lǐng)域迅速應(yīng)用［3］.超 音 速 火 焰 噴 涂 的 碳 化 鎢 鈷 鉻(WC10Co4Cr)涂層在很多航空部件上有應(yīng)用［4］，該涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的使用性能.涂層的結(jié)合強(qiáng)度不僅受到噴涂工藝及參數(shù)、噴涂粉末、基體材料的影響，基體表面的粗糙度也是一項(xiàng)重要影響因素.

本文主要針對(duì)AerMet100鋼基體吹砂處理的表面粗糙度與超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行研究，同時(shí)觀察噴涂涂層后對(duì)原有表面粗糙度的影響，探討兩者的關(guān)系.粗糙度的測(cè)量采用了較為新穎、精度更高的白光干涉方法［5］.

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為AerMet100鋼，美國(guó)Carpenter公司生產(chǎn)，主要化學(xué)成分如表1所示.

表1 AerMet100鋼化學(xué)成分

試樣材料經(jīng)過(guò)最終熱處理，σb=1900 MPa.噴涂粉末使用Sulzer Metco公司的WC10Co4Cr粉末，粉末牌號(hào)SM 5847，制備方法為團(tuán)聚燒結(jié)，粉末成分及粒度見(jiàn)表2，粉末形貌見(jiàn)圖1.粉末顆粒直徑主要分布在30 μm，每個(gè)顆粒由1～5 μm 的WC顆粒和更大尺寸的Co顆粒團(tuán)聚而成.

表2 WC10Co4Cr粉末成分及粒度

圖1 WC10Co4Cr粉末截面微觀形貌

1.2 試驗(yàn)方法

吹砂使用長(zhǎng)空機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的GP-1型噴砂機(jī)，噴涂使用Sulzer Metco公司的DJ2700超音速火焰噴涂系統(tǒng).研究過(guò)程中對(duì)試樣的處理分為吹砂、噴涂涂層、退除3個(gè)步驟.吹砂使用24 ～100 目(165 μm ～700 μm)的白剛玉砂.通過(guò)調(diào)整不同的噴砂壓力和噴砂距離，來(lái)改變Aer-Met100鋼表面的粗糙度.噴涂SM5847粉末的工藝參數(shù):氧氣流量253 L/min，空氣流量376 L/min，丙烷流量77 L/min，噴涂距離230 mm，送粉速度40 g/min.退除涂層采用羅舍爾鹽退除溶液，退除電壓4～6 V，溫度40～60℃［6］.采用 Quanta 600型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察粉末和涂層的顯微形貌，采用TR200粗糙度測(cè)試儀對(duì)基體粗糙度初步測(cè)量，采用Phase shift MicroXAM白光干涉儀對(duì)基體和涂層的面粗糙度進(jìn)行測(cè)量.參照ASTMC 633標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，制備涂層厚度0.2～0.25 mm.用FM1000膠將有涂層的試樣與對(duì)偶件粘接，固化后在Instron-5882型萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量涂層的結(jié)合強(qiáng)度.

2 結(jié)果及討論

2.1 不同吹砂工藝對(duì)基體表面粗糙度影響

吹砂工藝參數(shù)見(jiàn)表3.

使用不同直徑的砂粒并調(diào)整噴砂壓力、噴砂距離，可以獲得不同的表面粗糙度.試驗(yàn)制備了5類(lèi)粗糙度狀態(tài)，分別標(biāo)記為 A，B，C，D，E 狀態(tài).吹砂時(shí)使用TR200粗糙度儀進(jìn)行測(cè)試.調(diào)整吹砂工藝，目的是獲得粗糙度分別為 Ra=0.8，1.5，2.5，3.5，4.5 μm 的 5 種基體表面狀態(tài).

制備試樣后使用白光干涉方法實(shí)測(cè)的面粗糙度分別為 Sa=0.994，1.936，3.288，3.527，4.983 μm，較預(yù)期粗糙度稍大，形成的3D輪廓圖見(jiàn)圖2.

狀態(tài)A是磨加工后規(guī)則的表面狀態(tài);狀態(tài)B表面凹坑較細(xì)小，峰谷相對(duì)尖銳;狀態(tài)C，D，E凹坑較大，形貌極不規(guī)則.整體規(guī)律為砂粒越大，噴砂壓力越大，則粗糙度越大.實(shí)際在相同的砂粒粒徑和噴砂壓力下，適當(dāng)調(diào)整噴砂距離也可以獲得粗糙度差別較大的不同表面狀態(tài).

圖2 預(yù)處理基體表面3D輪廓圖

表3 不同吹砂參數(shù)對(duì)應(yīng)的表面粗糙度狀態(tài)

2.2 噴涂后表面的涂層狀態(tài)及結(jié)合強(qiáng)度

噴涂涂層后測(cè)得拉伸強(qiáng)度數(shù)值見(jiàn)表4.

表4 不同表面粗糙度狀態(tài)對(duì)應(yīng)的涂層結(jié)合強(qiáng)度

所有試樣均在膠粘處斷裂，F(xiàn)M 1000膠的標(biāo)準(zhǔn)粘接強(qiáng)度為70 MPa，個(gè)別試樣拉斷強(qiáng)度在80～85 MPa，最低在72MPa，說(shuō)明本組試驗(yàn)中涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度大于72 MPa.由于未能測(cè)出涂層與基體材料真實(shí)結(jié)合強(qiáng)度值，不能得出表面粗糙度對(duì)超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層結(jié)合強(qiáng)度影響的趨勢(shì)，但可以得出初步結(jié)論:AerMet100鋼表面粗糙度 Sa=0.994 ～4.983 μm 時(shí)，超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層的結(jié)合強(qiáng)度不低于72 MPa.

吹砂處理對(duì)熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響有過(guò)眾多研究［7－9］，包括吹砂角度、吹砂壓力、粒徑大小等.也有一些最優(yōu)的粗糙度范圍結(jié)論:噴砂后粗糙度在Ra=3.4 μm時(shí)熱噴涂鋁的結(jié)合強(qiáng)度最高［10］;不銹鋼基體上粗糙度 Ra=8.33 μm 時(shí)超音速噴涂 NiCrAl結(jié)合強(qiáng)度最高［11］.文獻(xiàn)［12］中詳細(xì)對(duì)比了不同基體粗糙度對(duì)超音速火焰噴涂碳化鎢鈷涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響:當(dāng) Ra＜1.7 μm 時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度較低，0.06～0.2 mm厚涂層在20～40 MPa之間;當(dāng) Ra＞5.8 μm 時(shí)，0.2 ～0.22 mm 厚度涂層結(jié)合強(qiáng)度大于E7膠的結(jié)合強(qiáng)度70 MPa.對(duì)Ra=1.7 ～5.8 μm 之間的條件沒(méi)有試驗(yàn)，并且在涂層厚度為 0.2 mm 時(shí)的 Ra=0.059，0.14，1.7 μm 的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，3種條件的結(jié)合強(qiáng)度差別并不大，在24～30 MPa之間.噴涂方法不同，粗糙度的變化對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響不同［13］.而相同的噴涂方法、工藝，在不同的工藝過(guò)程控制下，粗糙度對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響也不同.

本文盡最大可能限定了結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)的條件，包括使用同批次基材，一次完成噴涂，同一批次進(jìn)行粘接強(qiáng)度試驗(yàn)等，只進(jìn)行粗糙度對(duì)其的影響研究.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)分析假設(shè):Aer-Met100鋼表面的粗糙度大小不影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的大小.超音速火焰噴涂不同于火焰噴涂、等離子噴涂，類(lèi)似于爆炸噴涂工藝，對(duì)噴涂粒子可以加速到2倍音速.密度為13 g/cm3的碳化鎢鈷粉末可以具備更高的能量，噴涂到基體表面可以與基體形成緊密結(jié)合，至少同時(shí)存在機(jī)械結(jié)合和物理結(jié)合兩種作用力，并且物理結(jié)合力為主要作用.機(jī)械結(jié)合力為主要作用的等離子噴涂碳化鎢鈷涂層，即使在基體粗糙度最優(yōu)、涂層與基體界面結(jié)合良好時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度也不會(huì)超過(guò)70 MPa.對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂、氰基丙烯酸粘合劑、氯乙烯、合成橡膠等物質(zhì)與鋼材依靠機(jī)械力結(jié)合的粘接拉伸強(qiáng)度，才對(duì)粗糙度有敏感要求［14］.

在AerMet100鋼試樣上觀察噴涂粒子的融化狀態(tài)，見(jiàn)圖3.

圖3 AerMet100鋼試樣磨加工表面噴涂粒子狀態(tài)及基體表面狀態(tài)

由圖3可以發(fā)現(xiàn)粉末顆粒半熔融狀態(tài)，平鋪在基體上，同時(shí)基體表面出現(xiàn)5 μm左右的凹坑，是粉末中硬質(zhì)相碳化鎢顆粒高速?zèng)_擊的結(jié)果，凹坑的大小應(yīng)與噴涂粒子的密度、速度、粒徑成正比，與基體的硬度成反比，見(jiàn)式(1).

其中，R為基體上凹坑的半徑;R0為碳化鎢粒子的半徑;ρ為碳化鎢粒子密度;ν為碳化鎢粒子的速度;H為基體材料的硬度.

2.3 退除后涂層的粗糙度

為驗(yàn)證噴涂涂層過(guò)程對(duì)基體表面狀態(tài)造成的改變，將涂層使用化學(xué)方法退除后，觀察基體表面狀態(tài).狀態(tài)A和B基體粗糙度Sa值略有降低，狀態(tài)D和E粗糙度Sa值略有升高，見(jiàn)表5.

3D輪廓形貌見(jiàn)圖4.

圖4 退除涂層后基體表面3D輪廓圖

表5 不同狀態(tài)基體(不同吹砂參數(shù))噴涂并退除涂層后的表面粗糙度

整體來(lái)看，噴涂涂層過(guò)程沒(méi)有改變基體表面狀態(tài).圖4與圖2中狀態(tài)A的3D輪廓圖對(duì)比可以明顯看出:面積0.5 mm2基體表面出現(xiàn)許多直徑10 μm以下的小凹坑，直徑10 μm以上的凹坑不超過(guò)10個(gè)，這與圖3中觀察到的現(xiàn)象吻合.因?yàn)樘蓟u粒子的沖擊，基體微觀表面的尖角趨于平整，見(jiàn)圖5.

圖5 噴涂前及退除涂層后基體表面線性輪廓圖

相比噴涂涂層前的粗糙度，噴涂涂層退除后，狀態(tài)A粗糙度減小，狀態(tài)E粗糙度增加.因?yàn)锳的表面波峰小而多，較為尖銳，容易被噴涂粒子平整，而波谷少而窄，噴涂粒子不易進(jìn)入谷底，造成粗糙度的增加;狀態(tài)E的波峰粗而少，被噴涂粒子平整前后的效果差別不明顯，波谷大而多，噴涂粒子容易進(jìn)入谷底，使谷底加深，造成粗糙度的增加.

3 結(jié)論

1)AerMet100鋼基體不同吹砂工藝產(chǎn)生的表面粗糙度在 Sa=0.994 ～4.983 μm 時(shí)，超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層的結(jié)合強(qiáng)度均不低于72 MPa.

2)噴涂涂層過(guò)程對(duì)基體表面狀態(tài)沒(méi)有較大改變，基體粗糙度Sa＜2μm的表面噴涂后，基體表面的粗糙度略有降低;基體粗糙度Sa＞3 μm的表面噴涂后，基體粗糙度略有升高.

3)超音速火焰噴涂的碳化鎢鈷涂層與Aer-Met100基體的結(jié)合同時(shí)存在物理與機(jī)械力結(jié)合，以前者為主要結(jié)合力.

后續(xù)工作可以參考爆炸噴涂結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法、應(yīng)力脈沖法、楔形法等［15－20］，開(kāi)展基體表面粗糙度對(duì)超音速火焰噴涂碳化鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響研究，以驗(yàn)證“AerMet100鋼表面的粗糙度大小不影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的大小”的假設(shè)是否成立.另外也可以借鑒分形維數(shù)的概念［21］討論粗糙度的變化.

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