WC-17Co粉末尺寸對粒子飛行狀態(tài)與涂層性能的影響分析

劉延寬，王志平，丁坤英

（中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

WC-Co超音速火焰噴涂（High Velocity Oxygen Fuel）技術(shù)是近些年來世界上許多發(fā)達(dá)國家都致力于研究和發(fā)展的項目，在飛機制造過程中，超音速火焰噴涂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機轉(zhuǎn)軸、葉片等結(jié)構(gòu)部件和起落架等承重部件上[1—3]，其在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景。超音速火焰噴涂具有較高的焰流速度和適中的焰流溫度，因此實現(xiàn)了動能與熱能的良好結(jié)合[4—6]。超音速火焰噴涂過程中碳化鎢粒子在飛行過程中的速度和溫度直接影響涂層的特性[7]。陶凱等[8]進行了超音速火焰噴涂顆粒行為的數(shù)值模擬研究，該研究模擬了顆粒尺寸對飛行過程中粒子速度和溫度的影響，為理論上優(yōu)化噴涂參數(shù)提供了支持。李長久等[9—10]研究了碳化鎢顆粒尺寸對超音速火焰噴涂涂層形成的影響，以及噴涂前后碳化鎢顆粒尺寸的變化和碳化鎢尺寸與扁平粒子厚度之間的關(guān)系。Picas等[11]研究了噴涂工藝中氧氣/燃油比對碳化鎢涂層特性的影響。

國內(nèi)外研究主要通過數(shù)值模擬、改善噴涂工藝等方法來探討涂層的性能，而對于碳化鎢顆粒尺寸對飛行過程中粒子速度和溫度的影響，以及所制備涂層的性能方面鮮有報道。本文選取直徑范圍在15～45 μm之間的碳化鎢粉末，通過篩選出三種大小不同的粒子，重點研究討論了碳化鎢粉末粒子的尺寸在噴涂過程中對粒子飛行的速度和溫度的影響，以及所制備的涂層性能的差異。

1 試驗

1.1 試驗材料的選取

本試驗選取美國 TAFA公司生產(chǎn)的WC-17Co粉末，手工篩選出三種不同粒徑的粉末顆粒，直徑大小分別為 15～28、28～38、38～45 μm。粉末的基本性能如表1所示。

表1 三種WC-17Co粉末的基本性能指標(biāo)Tab.1 Characteristics of three kinds of WC-17Co powders

圖1所示為粉末顆粒的微觀結(jié)構(gòu)照（SEM），可以看出碳化鎢粉末顆粒近似為球狀或橢球狀，且顆粒大小均勻。

1.2 噴涂及監(jiān)測設(shè)備

噴涂設(shè)備選用美國TAFA公司生產(chǎn)的JP5000型液體燃料-氧氣超音速火焰噴涂系統(tǒng)。為了保證準(zhǔn)確平穩(wěn)地控制噴涂距離和速度，選用美國ABB公司生產(chǎn)的2400M型六軸自動機械手進行噴涂。噴涂參數(shù)為：氧氣流量1850 m3/h，煤油流量23.5 L/h，送粉率65 g/min，噴涂距離380 mm，噴槍移動速度350 mm/s。

通過粒子飛行監(jiān)測儀（SprayWatch）監(jiān)測不同直徑粒子的飛行速度與溫度，將傳感器探頭放置于噴涂火焰?zhèn)确?50 mm處，在距離噴槍口0～400 mm之間每隔50 mm測量一次。

1.3 微觀組織結(jié)構(gòu)分析

利用捷克FEI公司生產(chǎn)的Quanta FEG250型熱物發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀組織觀察，觀察分析不同直徑粒子撞擊基體后的鋪展程度與沖擊效果，同時觀察不同直徑粒子所制備碳化鎢涂層的致密度。利用HVS-1000型顯微硬度儀測量涂層的顯微硬度，載荷為2.94 N，加載時間為20 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴涂焰流特性的模擬分析

在Fluent軟件的基礎(chǔ)上，進行超音速火焰噴涂焰流的模擬分析，得到噴涂距離-焰流速度、噴涂距離-焰流溫度曲線，如圖2—3所示。

本試驗研究的焰流屬于高雷諾數(shù)的湍流，在數(shù)值模擬中應(yīng)用k-ε雙方程模型求出流體相湍流黏性系數(shù)，k-ε雙方程如下：

公式(1)為湍流能量耗散方程，公式(2)為湍流能量耗散率方程，其中K為湍動能，ε為湍流能量的黏性耗散[12]，Ux、Uy、Uz分別為x、y、z方向的速度矢量。

燃燒則采用非預(yù)混燃燒模型，模型中對反應(yīng)的假設(shè)為：

公式(3)中反應(yīng)物的系數(shù)取決于燃燒室壓力的大小。非預(yù)混燃燒不存在點燃問題，化學(xué)反應(yīng)可以在燃燒室內(nèi)直接進行[13]。

2.2 粒子尺寸對飛行速度的影響

根據(jù)粒子飛行監(jiān)測儀所監(jiān)測的實驗數(shù)據(jù)，得出碳化鎢粉末飛行速度與飛行距離之間的關(guān)系，如圖4所示。粒子在距離噴槍口0～400 mm之間的運動可劃分為兩大部分：前半部分的加速階段和后半部分的減速階段。粒子飛行前半段的速度遠(yuǎn)小于焰流速度，焰流運動產(chǎn)生的拖拽力使粒子處于加速運動狀態(tài)，速度增大；隨著飛行距離的增加，焰流的速度逐漸降低，拖拽力減小，粒子處于減速運動狀態(tài)，速度減小。粒子速度的最大值出現(xiàn)在距離槍口200～300 mm之間。

同時，不同直徑的粒子在飛行過程中的速度不同。1-型碳化鎢粉末直徑最小，質(zhì)量最小，所擁有的運動慣性也最小，進而速度曲線的變化較為明顯，表現(xiàn)為升速快、降速快的特點。雖然其在噴射過程中容易獲得較高的速度，最大速度可達(dá)到810 m/s，但是速度不容易保持。相反，3-型碳化鎢粉末直徑最大，質(zhì)量最大，所擁有的運動慣性也最大，進而速度曲線的變化較為平緩，表現(xiàn)為升速慢、降速慢的特點。相比于1-型粉末，其速度的最大值較小，最大值為690 m/s。

2.3 粒子尺寸對溫度的影響

根據(jù)粒子飛行監(jiān)測儀所監(jiān)測的實驗數(shù)據(jù)，得出碳化鎢粉末溫度與飛行距離之間的關(guān)系，如圖5所示。三種不同的碳化鎢粉末在飛行過程中的溫度變化均表現(xiàn)為先升溫后降溫的趨勢，這是因為在飛行的前半段，粒子溫度遠(yuǎn)小于焰流溫度，粒子表現(xiàn)為升溫，隨著飛行距離的增加，焰流溫度逐漸降低，粒子開始降溫。粒子溫度的最大值出現(xiàn)在距離槍口100～150 mm之間。

同時，不同直徑的粒子在飛行過程中的溫度不同。其溫度隨著粒子直徑的增加而減小。在相同的噴涂距離下，1-型碳化鎢粉末溫度最高，最大值可達(dá)2050 ℃，且其溫度變化快，表現(xiàn)為升溫快、降溫快的特點。相反，3-型碳化鎢粉末溫度最低，最大值為1890 ℃，且其溫度變化緩慢，表現(xiàn)為升溫慢、降溫慢的特點。這是因為對于密度、比熱均相同的碳化鎢粉末，其溫度的變化與其粒子直徑大小成反比，直徑更小的粒子在超音速火焰噴涂的過程中表現(xiàn)為溫度變化快、溫度最大值高的特點。

2.4 粉末對基體沖擊狀態(tài)的分析

超音速火焰噴涂涂層的形成過程可以概括為噴涂材料進入高溫高速焰流中被加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，以較高的速度和適中的溫度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面上相互碰撞后，噴涂熔滴發(fā)生變形、高速淬冷、凝固以及和基體產(chǎn)生結(jié)合的過程[14]。噴涂材料與基體表面的碰撞直接決定了涂層殘余應(yīng)力的大小，因此，有必要對噴涂粒子對基體的沖擊進行研究，尋找優(yōu)化涂層性能的有效方法。

圖6 為掃描電鏡下三種類型粉末沖擊基體后的鋪展形貌，碳化鎢粉末顆粒沖擊基體平面后形成圓盤形扁平粒子。

運用材料顯微鏡圖像處理軟件測量三種粉末的原始直徑D與扁平粒子直徑d，均取平均值，同時計算體現(xiàn)粒子扁平化程度的比值ξ=d/D，如表2所示。

表2 三種粉末原始直徑D、扁平粒子直徑d與扁平率ξTab.2 Feedstock diameter, splat diameter and flattening ratio of WC-17Co powders

1-型粉末粒子原始直徑最小，其沖擊基體后所形成的扁平化粒子直徑也最小；3-型粉末粒子原始直徑最大，其沖擊基體后所形成的扁平化粒子直徑也最大。由此可見，WC-17Co粉末沖擊基體后所形成的扁平粒子的尺寸依賴于原始粉末尺寸。d/D值在一定程度上體現(xiàn)了WC-17Co粉末沖擊基體后的扁平化程度，1-型粉末的扁平化程度為2.35，2-型粉末的扁平化程度為 2.05，3-型粉末的扁平化程度為 1.94。WC-17Co粉末沖擊基體后的扁平化程度與粒子直徑大小成反比，粒子直徑越大，扁平化程度越低。

在實際噴涂過程中，粒子在撞擊基體后會產(chǎn)生一個迅速降溫冷卻的過程。3-型粉末由于粒子直徑大，在基體表面鋪展、扁平化所需時間長，導(dǎo)致其在整個過程中溫度變化差異大，隨著溫度的下降，粒子黏度系數(shù)增大，不能完全鋪展，因此其扁平化率最低。相反，1-型粉末由于直徑最小，初始溫度最高，扁平化率也最高。

2.5 粒子直徑對涂層致密度與硬度的影響

利用粒度不同的WC-17Co粉末制備的涂層孔隙率、致密度及涂層硬度等基本力學(xué)性能有所差異[15]，如表3所示。

表3 三種涂層的孔隙率與努氏硬度Tab.3 Porosity and Knoop hardness of WC-17Co coatings

圖7為掃描電鏡觀察到的三種不同粒度WC-17Co粉末制備超音速火焰噴涂涂層的致密度情況。三種涂層的孔隙率測量結(jié)果分別為 1-型 0.22%，2-型0.95%，3-型1.16%。由此可見，1-型粉末粒度最小，在噴涂沉積過程中粒子扁平化程度高，粒子間填充效果較好，制備的涂層孔隙率低，具有較高的致密度。相反，3-型粉末粒度最大，在噴涂沉積過程中粒子扁平化程度低，粒子間填充效果較差，制備的涂層孔隙率高，具有較低的致密度。涂層的致密度在一定程度上影響了涂層的硬度。

如圖8所示，運用壓痕法測量不同直徑粒子涂層的努氏硬度[16]。努氏硬度計算公式為：

其中，F(xiàn)=2.94 N，作用時間為20 s，a為壓痕長對角線的長度。測量結(jié)果取統(tǒng)計值。

可見，涂層的致密度影響涂層的硬度等基本物理性能。高致密度的涂層具有較高的硬度，低致密度的涂層具有較低的硬度。涂層的性能是由噴涂粉末粒子的飛行狀態(tài)所決定的，1-型粉末沖擊基體前的運動動量較小，沖擊基體后扁平化程度高，形成的涂層具有較高的致密度，涂層的硬度較高；3-型粉末沖擊基體前的運動動量較大，沖擊基體后扁平化程度低，形成的涂層具有較低的致密度，涂層的硬度較低。

在工程應(yīng)用中，高硬度涂層具有較高的耐磨性能，而低硬度涂層抗彎折性能較好。因此，涂層硬度與彈性模量等力學(xué)性能的大小并不能完全說明涂層性能的優(yōu)異，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)涂層不同的應(yīng)用與需求進行工藝的優(yōu)化，尋找最佳的制備方案。

3 結(jié)論

1） HVOF噴涂過程中碳化鎢粉末粒子的速度與溫度在飛行過程中表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，這與噴涂過程中焰流氣體的速度和溫度變化有關(guān)。

2）不同粒度的碳化鎢粉末粒子在HVOF噴涂過程中飛行速度和溫度不同，碳化鎢粉末的飛行速度與溫度隨著粒子直徑的增大而減小。

3）相同工藝條件下，碳化鎢粒子的直徑大小與撞擊基體后粒子的扁平化程度成反比。

4）碳化鎢涂層的致密度隨著粒子直徑的增大而減小，碳化鎢涂層的硬度隨著粒子直徑的增大而減小。