結(jié)晶器CuNiCoBe合金表面等離子噴涂WC-Co及Mo/WC-Co復(fù)合涂層的性能

陳 健，王 璇，馬萬斌，吉 祥，許騰飛，趙 蕾

(1.江蘇科技大學(xué)先進焊接技術(shù)省級重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島266000)

隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展，對結(jié)晶器銅板性能提出了更高的要求，高強度、高耐磨性和良好的導(dǎo)熱性成為衡量其質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo).對結(jié)晶器銅板表面進行強化處理提高其耐磨性，是延長結(jié)晶器銅板使用壽命的最有效的手段.傳統(tǒng)的強化方法是電鍍，但電鍍工藝所制備的鍍層種類有限，難以滿足高拉速連鑄生產(chǎn)的要求，且電鍍工藝還存在環(huán)境污染等問題［1］.為此，研究人員對結(jié)晶器銅板表面熱噴涂強化技術(shù)開展了大量的研究工作并取得了較好的成果，目前此類研究重點主要集中在高能高速的噴涂方法以及涂層材料的選擇上［2］.

文中采用等離子噴涂技術(shù)，以Mo涂層為打底層，根據(jù)WC 所具有的優(yōu)良性能［3-4］，如高的硬度、良好的耐磨耐蝕性能以及高溫穩(wěn)定性好等特點，將其作為結(jié)晶器銅板表面的工作涂層粉末，在CuNi-CoBe合金表面制備了WC-Co及Mo/WC-Co復(fù)合涂層，并對涂層的結(jié)合強度、顯微組織、抗熱震性能以及摩擦性能分別進行了研究.

1 試驗

1.1 基體及粉末材料

基體材料選用 CuNiCoBe合金，加工成 Φ25mm×60mm，20mm×20mm×5mm和40mm×40mm×5mm 3種尺寸，分別用于涂層結(jié)合強度試驗、磨損試驗和熱震試驗.噴涂前，用酒精擦凈待噴涂試樣表面油污然后進行噴砂處理.

工作涂層材料選用燒結(jié)型的WC-Co復(fù)合粉末(75%WC，25%Co)，粉末粒度為 -325～ +500目;打底層粉末選用純Mo粉(≥99.5%)，粒度為-160～+325目.

1.2 涂層制備

使用Praxair 3710型等離子噴涂系統(tǒng)進行涂層制備.以涂層的結(jié)合強度為指標(biāo)，采用均勻試驗法對噴涂工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，最終確定的噴涂工藝參數(shù)如表1，涂層總厚度為0.4mm.對于復(fù)合涂層，先在試樣表面噴涂Mo打底層，其厚度為0.1mm，然后再噴涂WC-Co工作涂層.

1.3 涂層性能檢測

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T8642-2002《熱噴涂抗拉結(jié)合強度的測定》［5］進行拉伸試驗，測定涂層的結(jié)合強度，加載速率為165 N/s，每組3個試樣，取均值;參照標(biāo)準(zhǔn)HB7269-96《熱噴涂熱障涂層質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)》［6］進行熱震試驗，熱震溫度分別為 300，400，450℃，每組5個試樣，保溫時間均為10 min，將試樣第一次出現(xiàn)宏觀裂紋的熱震次數(shù)定義為宏觀啟裂次數(shù)，將涂層剝落超過總面積的1/3時對應(yīng)的熱震次數(shù)定義為涂層失效次數(shù);在UMT-2摩擦試驗機上進行涂層的磨損試驗，對磨介質(zhì)為HRC63的不銹鋼球，磨損試驗參數(shù):載荷分別為5，10N，試驗溫度為 20，300，450℃，測試時間為 30 min;采用JSM-6480型掃描電鏡(SEM)觀察分析涂層的形貌、組織結(jié)構(gòu).

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 涂層結(jié)合強度試驗結(jié)果及分析

試驗測得單一WC-Co及Mo/WC-Co復(fù)合涂層的平均結(jié)合強度分別為26.8 MPa和40.2 MPa，圖1為試樣拉斷后的宏觀斷口形貌.

圖1 涂層拉伸試樣斷口宏觀形貌Fig.1 Fracture surface of coating tension test

可以看出絕大部分涂層都從基體上剝離，只剩下少部分涂層粘連在基體上，因此可以認(rèn)為所測結(jié)合強度為涂層與基體間的結(jié)合強度，而非涂層的內(nèi)聚強度.實驗結(jié)果還表明:Mo打底層有利于增加涂層與基體間的結(jié)合強度.這是因為:Mo作為常用的打底層材料，和許多材料都有很好的粘結(jié)性，同時Mo涂層表面粗糙度大甚至超過噴砂處理后的表面粗糙度，非常有利于工作層的附著［7-8］;此外，Mo涂層的熱膨脹系數(shù)介于銅合金基體和工作層WC-Co涂層的熱膨脹系數(shù)之間，有利于減小因熱膨脹系數(shù)差異引起的界面內(nèi)應(yīng)力.

2.2涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖2為涂層截面顯微形貌，呈現(xiàn)出明顯的層疊狀結(jié)構(gòu)，總的來說粒子變形較充分，粒子與基體及粒子與粒子之間相互“錨合”良好，涂層比較致密，但無論是單一涂層(圖2a))還是復(fù)合涂層(圖2b))中仍然存在著部分氣孔、堆疊不良、疏松等造成的孔隙，這些缺陷是熱噴涂涂層無法完全避免的，其中氣孔是熔融或半熔融粒子在凝固過程中溶入其中的氣體析出造成的;堆疊不良是粒子撞擊基體或涂層時變形不充分引起的;疏松是部分粒子融熔不充分，與涂層或基體結(jié)合不夠牢固，在金相試樣制備的過程中脫落而形成的.

圖2 涂層橫截面形貌Fig.2 Cross section morphologies of the coating

2.3 涂層熱震試驗結(jié)果分析

涂層抗熱震性能是衡量材料在溫度急劇變化時抗破損能力的重要指標(biāo)，直接影響結(jié)晶器在工作條件下的使用狀況.從圖3可以看出，兩種涂層的抗熱震性能均隨著試驗溫度的升高而急劇下降，這是因為熱震過程是一個冷熱交替的循環(huán)過程，在此過程中涂層內(nèi)會產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力，這是由涂層和基體的熱膨脹系數(shù)差異(表2)而引起的熱失配內(nèi)應(yīng)力，其基本規(guī)律為加熱階段涂層受拉應(yīng)力，冷卻階段涂層受壓應(yīng)力［9］，顯然，熱震試驗溫度越高，溫度變化ΔT越大，熱失配內(nèi)應(yīng)力越大，涂層熱疲勞壽命就越低.此外，還存在界面熱震氧化等原因［10-11］，溫度越高界面氧化越嚴(yán)重，導(dǎo)致涂層和基體的界面結(jié)合強度下降，也會導(dǎo)致涂層熱疲勞壽命降低.從圖3還可以看出，復(fù)合涂層的抗熱震性能要明顯優(yōu)于單一涂層，其原因在于Mo打底層的存在，一定程度上克服了WC-Co工作層與基體間的熱膨脹系數(shù)突變現(xiàn)象，降低了涂層與基體之間的熱失配應(yīng)力及界面應(yīng)力集中，因此，其抗熱震性能得以顯著提高.

表2 基體及涂層材料的熱膨脹系數(shù)Table 2 Thermal expansion coefficient of substrate and coating material

圖3 涂層熱震試驗結(jié)果Fig.3 Results of coating thermal shock test

試驗還發(fā)現(xiàn)，裂紋總是首先在試樣應(yīng)力集中最嚴(yán)重的邊角部位的涂層內(nèi)或涂層與基體的結(jié)合界面處啟裂然后擴展，如圖4a).隨著熱震循環(huán)次數(shù)的增加，涂層表面出現(xiàn)龜裂紋并向涂層內(nèi)部發(fā)展，當(dāng)與沿界面發(fā)展的裂紋相接觸時，出現(xiàn)小塊剝落，并最終發(fā)展到剝落面積超過涂層總面積的1/3而失效，如圖4b).

圖4 Mo/WC-Co復(fù)合涂層熱震試樣形貌Fig.4 Surface appearance of Mo/WC -Co compositecoatings thermal shock specimen

對于單一WC-Co涂層，除了上述失效形式(圖5a))外，還有涂層整塊從基體上脫落的失效形式(圖5b)).原因在于單一涂層結(jié)構(gòu)中，涂層與基體界面處存在著熱膨脹系數(shù)的突變，在熱震試驗條件下界面處將產(chǎn)生巨大的熱失配內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致涂層的整塊脫落.

圖5 WC-Co涂層熱震試樣形貌Fig.5 Surface appearance of WC -Co coatings thermal shock specimen

2.4 WC-Co涂層摩擦磨損結(jié)果分析

圖6為10N載荷下，WC-Co涂層在不同溫度下的摩擦系數(shù)(μ)曲線圖.20，300，450℃下涂層的平均摩擦系數(shù)分別為 0.420 3，0.380 7，0.351 2，隨著溫度的升高涂層的平均摩擦系數(shù)呈下降趨勢.

圖6 涂層在10 N載荷下的摩擦曲線Fig.6 Friction curves of coatings under the load of 10 N

從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，涂層的摩擦系數(shù)在初始階段變化較大，這是因為在摩擦過程中有一段磨合期，摩擦接觸方式由點接觸逐步向面接觸過渡，隨著摩擦?xí)r間的增加，涂層由最初的劇烈磨損變?yōu)檩p微磨損，最后進入穩(wěn)定磨損階段.另外，20℃時涂層的摩擦系數(shù)先減小，然后隨著時間的增加不斷增大，較高溫度下涂層的摩擦系數(shù)已基本趨于穩(wěn)定.針對上述現(xiàn)象，可以結(jié)合圖7涂層的磨痕形貌加以解釋.

從圖7中可以看出，WC-Co涂層在常溫(20℃)時的磨痕較淺，隨著溫度升高，涂層的磨痕變得越來越深.這說明在常溫下，涂層硬度很高，當(dāng)溫度升高時涂層的硬度逐漸降低，涂層逐漸變軟，相當(dāng)于摩擦過程中增加了潤滑作用.所以綜上所述，在20℃時，隨著時間的增加，會有部分涂層脫落，以硬質(zhì)顆粒的形式加入到涂層的磨粒磨損［12］中，延長涂層進入穩(wěn)磨階段的時間，涂層摩擦系數(shù)增大;而在較高溫度下，涂層能夠很快地進入穩(wěn)磨階段，涂層的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定.

圖7 不同溫度下的磨痕SEM圖片F(xiàn)ig.7 SEM of wearing scar at different temperature

3 結(jié)論

1)Mo/WC-Co復(fù)合涂層與基體間的結(jié)合強度優(yōu)于單一的WC-Co涂層，前者為40.2 MPa，后者為26.8 MPa.

2)Mo/WC-Co復(fù)合涂層的抗熱震性能較好，相同熱震條件下，宏觀啟裂次數(shù)及失效次數(shù)均高于單一的WC-Co涂層.

3)Mo/WC-Co復(fù)合涂層的失效形式為角部沿涂層與基體界面處小塊啟裂并脫落，最終導(dǎo)致剝落面積超過涂層總面積的1/3而失效;單一的WC-Co涂層除上述失效形式外，還有涂層沿與基體的結(jié)合界面啟裂、擴展并最終整體剝落的失效形式.

4)載荷一定時隨著溫度的升高，WC-Co涂層的摩擦系數(shù)呈下降趨勢，20，300，450℃下涂層的平均摩擦系數(shù)分別為0.4203，0.3807，0.3512;WCCo涂層以磨粒磨損為主，隨著溫度的升高，涂層的磨痕逐漸變深.

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