一種新型超音速等離子設(shè)備噴涂WC涂層的研究

梅華鋒，陳小明

(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州 310012)

許多機(jī)械零部件都要求具有耐沖擊、耐腐蝕和耐磨損等性能。但是，大部分金屬基體本身并不能滿足這些要求，因此需要在基體表面沉積一層涂層［1］。使用熱噴涂方法在金屬表面噴涂碳化鎢涂層是其中非常重要的一種，而WC-10Co-4Cr涂層具有WC的高耐磨性和Co的良好韌性以及Cr的耐腐蝕性，在耐沖蝕涂層方面有良好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)等離子噴涂由于粒子速度較低，無法滿足結(jié)合力的要求，因此目前主要使用超音速火焰噴涂(HVOF)的方法。然而近年來由于碳化鎢粉末價格飛漲［1］，使用HVOF噴涂成本較高。

超音速等離子噴涂是20世紀(jì)90年代研制成功的新型熱噴涂技術(shù)，具有粒子飛行速度快、沉積效率高、涂層質(zhì)量好等優(yōu)點［2，3］。由美國某公司(Progressive Surface)研制生產(chǎn)的100HE超音速等離子噴涂系統(tǒng)既有HVOF的高速度和涂層致密性，又有等離子的高沉積效率。因此，本文采用新型的100HE超音速等離子噴涂系統(tǒng)研究常用的耐磨涂層WC-10Co-4Cr，并研究其耐沖蝕性能。

1 試驗材料及方法

基材為ZG0Cr13Ni5Mo不銹鋼，噴涂材料采用經(jīng)團(tuán)聚燒結(jié)的WC-10Co-4Cr粉末，粒度為15～45μm。噴涂前先采用酒精洗去試樣表面的油污，再用棕剛玉噴砂進(jìn)行表面粗化處理，然后采用100HE超音速等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂。噴涂工藝參數(shù)為:功率95kW，送粉量3RPM，噴涂距離160mm，涂層厚度為0.2mm。

采用荷蘭某公司生產(chǎn)的X＇Pert PRO型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的相組織，實驗采用Cu靶Kα射線(λ=0.154056nm)，工作電壓為 40kV，電流30mA。

試樣打磨拋光后利用ULTRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察涂層微觀形貌，并利用KMM-500E金相顯微鏡測試所獲得的HVOF涂層的孔隙率。

采用灰度法測定涂層橫截面的孔隙率，試樣測試前按照金相制樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研磨和拋光，涂層孔隙率值取10次測量數(shù)據(jù)的平均值。采用 HXD-1000TMC/LCD顯微硬度測試儀測試涂層的顯微硬度，測試條件為200gf載荷，10s加載時間，400倍放大倍數(shù)。

參照國家標(biāo)準(zhǔn)，采用Smart test 5t萬能試驗機(jī)上進(jìn)行涂層與基體結(jié)合力的測試，試樣尺寸為Ф22mm，采用專用薄膜膠進(jìn)行粘接。

利用LTM-200料漿沖蝕磨損試驗機(jī)，測試條件為:主軸轉(zhuǎn)速 1200r/min，砂漿濃度 40%(砂10kg，水 15kg)，試驗時長為 6h。試驗后利用LE225D精密電子天平對基體和涂層試樣在摩擦磨損前后進(jìn)行稱重，得出失重。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 組織及力學(xué)性能

圖1為超音速等離子噴涂WC-10Co-4Cr涂層截面掃描電鏡形貌。由圖1可見，涂層組織非常致密，所制備的碳化鎢涂層均勻，無分層現(xiàn)象，涂層的孔隙較少，表現(xiàn)出良好的致密性。涂層中明顯可以看到粘結(jié)劑包囊WC顆粒，WC顆粒尺寸較小(＜1μm)。

圖1 涂層截面SEM照片(a)400倍;(b)6000倍

圖2 涂層的XRD物相分析

圖2為納米碳化鎢涂層的XRD圖譜，從圖譜中發(fā)現(xiàn)，納米碳化鎢涂層中WC相為主相，但也存在較弱的W2C相的衍射峰，說明在噴涂過程中，WC相發(fā)生的分解脫碳，形成了W2C相。W2C相硬度高、脆性大，不利于涂層的性能，是噴涂過程中所應(yīng)盡量避免的。

試驗結(jié)果表明，利用100HE高焓等離子設(shè)備制備WC-10Co-4Cr涂層顯微硬度基本在1100HV左右;涂層結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)72MPa，孔隙率均＜1%。低的孔隙率說明說明等離子噴涂過程中粉末顆粒的扁平化程度高，制備的納米WC-10Co-4Cr涂層致密度高。并且上述指標(biāo)都遠(yuǎn)優(yōu)于普通等離子噴涂［4］，與超音速火焰噴涂獲得的涂層性能相近［5］。

熱噴涂的粒子飛行速度對所獲得的涂層的組織、硬度和涂層與基體間的結(jié)合力有很大影響。超音速等離子噴涂在噴槍的設(shè)計上應(yīng)用了空氣動力學(xué)和拉法爾噴管技術(shù)，噴涂粒子的最高飛行速度可以達(dá)到400m/s以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)等離子噴涂［2］。噴涂粒子的飛行速度越大，顆粒的高溫停留時間越短，氧化燒損越少，粒子撞擊基體表面的動能也就越大，因此獲得的涂層組織致密，硬度和結(jié)合強(qiáng)度較高。

2.2 耐沖蝕性能

圖3為WC-10Co-4Cr沖蝕前后宏觀形貌對比情況，表3為沖蝕以后的失重。由此可以看出，基體失重(0.11662g)是100HE噴涂的涂層失重(0.06048g)的1.93倍，因此具有良好的耐沖蝕性能，這主要得益于它的較高的結(jié)合力以及較低的孔隙率。

圖3 基體與試樣沖蝕試驗前后宏觀形貌對比圖

分析磨損機(jī)理可知，泥沙沖蝕的破壞主要是從微小的破壞源開始［10］。細(xì)小沙粒的沖擊運(yùn)動，其破壞往往都是從涂層表面的結(jié)構(gòu)性能薄弱區(qū)域開始，并且沿著一定的結(jié)構(gòu)缺陷在涂層中逐漸擴(kuò)大，所以涂層表面的微觀組織結(jié)構(gòu)對涂層的耐磨蝕性能有著重要的影響。

表1 WC-10Co-4Cr涂層沖蝕失重情況

100HE超音速等離子噴涂的WC-10Co-4Cr涂層組織致密，硬度與結(jié)合強(qiáng)度較高。沖蝕漿料中的沙粒主要和涂層中凸出的WC硬質(zhì)相接觸，這些WC硬質(zhì)顆粒在摩擦過程中難以變形，能夠有效抵擋沙粒的犁削［6］。另外在高硬度的陶瓷顆粒碰撞擠壓下，部分沙粒被擊碎或磨損而明顯喪失切削能力，從而使得沙粒變得不僅尺寸較小而且更為圓鈍。因此，超音速等離子噴涂WC-10Co-4Cr涂層在含沙水流的沖刷下表現(xiàn)出了良好的耐沖蝕性能，有望提高在含沙水流中的零部件的使用壽命。

3 結(jié)論

(1)利用100HE新型超音速等離子設(shè)備能夠獲得性能優(yōu)良的WC-10Co-4Cr涂層，其硬度為1100HV，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到72MPa，孔隙率＜1%。涂層性能基本達(dá)到超音速火焰噴涂(HVOF)同等水平，在保證性能的前提下降低了成本。

(2)通過漿料沖蝕試驗裝置研究獲得涂層的耐沖蝕性能，100HE超音速等離子噴涂獲得的WC-10Co-4Cr涂層具有良好的耐泥沙沖蝕性能(約為基體的1.93倍)，在高含沙水流中的機(jī)械零部件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］趙利．一種新型耐磨涂層的性能研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2011．

［2］張平，張海軍，朱勝．高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)［J］．中國表面工程，2003，16(03):12-15．

［3］王海軍，潘榮辰，韓志海．超音速等離子噴涂Mo及Mo+30%(NiCrBSi)涂層的耐磨性能研究［J］．金屬熱處理，2005，30(05):16-19．

［4］Nikas G K，Sayles R S，Ioannides E．Effects of debris particles in sliding/rolling elastohydrodynamic contacts［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，1998，212(05):333-343．

［5］王博，吳玉萍，李改葉，洪晟．超音速火焰噴涂制備WC-10Co-4Cr涂層工藝參數(shù)的優(yōu)化［J］．機(jī)械工程材料，2012，36(10):58-61．

［6］楊令忠，徐濱士，楊華，張偉剛．超音速等離子噴涂12Co-WC涂層在含沙油潤滑條件下的摩擦學(xué)行為［J］．材料保護(hù)，2007，40(10):65-67．