碳化鎢顆粒增強金屬基復合涂層制備工藝研究及發(fā)展現(xiàn)狀

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(上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室, 上海 200437)

綜述

碳化鎢顆粒增強金屬基復合涂層制備工藝研究及發(fā)展現(xiàn)狀

巴發(fā)海,李凱,王飛,張超

(上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室, 上海 200437)

綜述了近年來國內(nèi)外常用的碳化鎢顆粒增強金屬基復合涂層制備工藝的研究現(xiàn)狀，包括真空熔覆、激光熔覆以及熱噴涂等，著重介紹了不同工藝的特點以及所制備涂層性能的差異，并對未來的發(fā)展方向進行了展望。分析表明：碳化鎢顆粒增強金屬基復合涂層可以提高工件表面的硬度，改善工件的耐磨和耐蝕性能；不同的制備工藝對最終產(chǎn)品的性能有較大的影響，采用真空熔覆法制備的涂層在涂層結合強度、均勻性等方面相比于激光熔覆、熱噴涂等方法制備的具有較大優(yōu)勢；對傳統(tǒng)工藝如激光熔覆、熱噴涂等的升級與改造也是一個值得關注的方向。

碳化鎢;顆粒增強金屬基復合涂層;真空熔覆;激光熔覆;熱噴涂

金屬的失效，包括磨損、腐蝕、疲勞與斷裂等往往都是由金屬表面開始的，采用適當?shù)谋砻嫣幚矸椒?，可以使腐蝕引起的失效減少15%～35%，磨損引起的失效減少30%左右[1]。常見的表面處理方法有熱噴涂技術、堆焊技術、電化學鍍技術、氣相沉積技術以及高能束表面改性技術等。針對不同的表面選用合適的表面處理方式，可極大改變金屬表面的化學成分與物理狀態(tài)，從而改進工件的各項理化性能指標，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時延長工件服役壽命[2]。

碳化鎢(WC)顆粒增強金屬基復合涂層能夠顯著提高工件表面的硬度，改善工件的耐磨和耐蝕性能，廣泛應用于石油鉆探、農(nóng)業(yè)機械及金屬制造等領域。在工件表面制備WC顆粒增強金屬基復合涂層是金屬表面處理手段之一，是一種以高硬度WC顆粒作為基料，以鎳基、鈷基、銅基等金屬作為黏結劑，通過高溫等手段使金屬表面覆蓋一層高硬度、耐磨耐蝕的金屬基復合陶瓷的表面改性技術。WC硬度高達2 000～2 700 HV，WC顆粒的加入使得復合涂層具有較高的硬度，從而顯著降低磨料對基體的磨損，提高工件表面的耐磨性能[3-6]。BARTKOWSKI等[7]在400 W功率下制備的激光熔覆WC復合涂層顯微硬度達到890 HV0.05。同時，WC還具有良好的化學穩(wěn)定性，因此在工件表面制備WC復合涂層還可顯著提高工件表面的耐蝕性能。為了使WC顆粒能夠與基體金屬良好地結合，通常需要加入一些黏結劑。鈷作為傳統(tǒng)黏結劑具有毒性大、污染環(huán)境等缺點，因此目前逐漸采用鎳、鋁等黏結劑來代替。

目前常用的WC顆粒增強金屬基復合涂層的制備方法主要有真空熔覆、激光熔覆以及熱噴涂等，筆者主要對這些常用的制備工藝現(xiàn)狀進行了綜述，以期為金屬工件合理地選擇耐磨耐蝕涂層制備工藝提供參考。

1 真空熔覆制備WC復合涂層

真空熔覆制備WC復合涂層技術是對釬焊法的一種改進[8-9]。在釬焊法制備WC復合涂層過程中，WC增強相層、釬料層和基體形成三明治結構，受重力作用釬料層往往無法同時浸潤WC增強相層與基體層，導致涂層容易發(fā)生部分或完全脫落[10]。真空熔覆法則是直接將釬料與WC增強相混合在一起，然后采用一定的工藝包覆到工件表面進行燒結。

黃柳仙等[11]為了提高零件表面的硬度和耐磨性，使用真空熔覆法在45鋼表面涂覆制備了WC復合涂層，通過測試WC復合涂層不同深度的硬度及耐磨性，發(fā)現(xiàn)涂層顯著提高了基體的表面硬度以及耐磨性，而且涂層部分不同深度處的硬度較均勻，在干摩擦條件下，涂層最外層的耐磨性最好。黃新波等[12]在45鋼表面利用真空熔覆法制備了不同WC含量的WC-Co鉆基復合涂層，研究了WC含量對涂層疲勞強度的影響，結果表明WC含量為15%(質(zhì)量分數(shù))時涂層的疲勞強度最高。WC形態(tài)同樣對涂層性能有著重要影響，馬世博等[13]對比研究了還原態(tài)WC、鑄造態(tài)WC以及采用機械合金化處理后的WC對涂層性能的影響，結果表明，機械合金化處理改善了WC粉末的浸潤性，提高了涂層的顯微硬度以及耐磨性能。林晨[14]通過對復合涂層進行正火與調(diào)質(zhì)處理，研究了熱處理工藝對鎳基WC復合涂層疲勞性能的影響，試驗結果表明，在低周疲勞試驗中調(diào)質(zhì)處理的涂層疲勞強度更高，而在高周疲勞試驗中兩者沒有明顯差異。甄睿等[15]進一步簡化工藝，嘗試在非真空環(huán)境下進行燒結，制備了Ni60A+WC復合涂層，試驗結果表明，在非真空環(huán)境中涂層與基體之間也形成了緊固的冶金結合，隨著WC含量的增加，涂層的整體硬度提高，WC的最佳加入量為30%(質(zhì)量分數(shù))。張生欣等[16]研究了熱處理對感應重熔WC復合涂層的影響，研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過850 ℃淬火和回火處理后涂層中的硬質(zhì)相增多，硬度比熱處理前的有顯著提高，并發(fā)現(xiàn)400 ℃×2 h回火的涂層硬度最高；同時由于硬質(zhì)相的增多，減少了對涂層的犁削作用，提高了涂層的耐磨性能。孫煥等[17]利用真空高頻熔覆法制備出Ni60-WC復合涂層，研究發(fā)現(xiàn)，在10%(體積分數(shù))鹽酸溶液中復合涂層的耐蝕性是Q235A鋼的100倍左右，在10%(體積分數(shù))硫酸溶液中復合涂層的耐蝕性是Q235A鋼的20倍左右。

2 激光熔覆制備WC復合涂層

相比火焰、渦流、電弧等加熱方式，激光具有加熱功率大、能量密度高、操作靈活等特點[18]。激光熔覆制備WC復合涂層是一種新型的先進制造技術，該技術利用高能激光束使基體表面形成熔池，把置于基體上的涂層熔化，快速凝固后與基體形成冶金結合[19]。激光熔覆過程中能量密度高、溫度梯度較大，形成的復合涂層致密度高，晶粒尺寸小、化學成分均勻，結合計算機處理，可精確控制能量輸入以及熔覆范圍，不僅能夠在金屬表面制造新的復合涂層，同時能對已損傷涂層進行精確修復[20-22]。

劉建弟等[23]通過激光熔覆法在TA15鈦合金表面制備了WC復合涂層，研究發(fā)現(xiàn)：WC增強相在復合涂層組織中均勻分布，增強相基體為初生(TiW)C/TiC相與(TiW)C+(Ti，W)共晶組織；在其與淬火+低溫回火處理的45鋼的對磨試驗中發(fā)現(xiàn)，增加載荷不會導致復合涂層磨損速率增大，磨損過程中沒有出現(xiàn)黏著磨損。激光熔覆WC工藝中，由于溫度梯度大，WC脆性相多，復合涂層液固區(qū)間窄，因而容易在凝固過程中產(chǎn)生熱裂紋。姚成武等[24]通過使熔覆涂層的相變區(qū)間位于過包晶相區(qū)，防止了凝固裂紋的產(chǎn)生，獲得了平均硬度為850 HV(相當于65 HRC)的WC復合涂層，磨損試驗結果表明該復合涂層只存在磨粒磨損，沒有剝落現(xiàn)象，涂層的耐磨性優(yōu)于9Cr2Mo冷軋輥用鋼的。

WC復合涂層性能與其晶粒尺寸、致密度、硬質(zhì)相分布等密切相關。余本海等[25]研究了電磁攪拌對WC-Co基復合涂層硬度的影響，結果表明，電磁攪拌可以提高復合涂層的顯微硬度，隨著攪拌強度的增加，涂層硬度有上升趨勢。這是由于電磁攪拌加劇了熔體的流動，一方面使熔池中的氣體更容易逃逸，減少涂層中的氣孔；另一方面，電磁攪拌可以打碎初生枝晶，消除枝晶應力的根源，降低結晶應力，減少裂紋的產(chǎn)生。

影響激光熔覆WC涂層的工藝參數(shù)主要有激光器功率、光斑直徑、掃描速率、送粉量等[26-27]。王志堅等[28]著重研究了激光功率與送粉量對涂層成型效率的影響，研究表明，提高激光功率與降低掃描速率可以增加熔寬，增大送粉量則會使熔高增加。成型效率高低與各工藝參數(shù)變化的關系較為復雜，一般情況下增加激光線能量和送粉量可以提高成型效率。倪立斌等[26]則提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡和粒子群算法的激光熔覆工藝優(yōu)化方法，模擬結果顯示：神經(jīng)網(wǎng)絡仿真值與實際試驗值之間的相對誤差小于4.5%；采用粒子群算法對神經(jīng)網(wǎng)絡中的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，可以進一步提高模型精度。依據(jù)最終優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行實際激光熔覆的試驗結果與預期目標值之間具有較小的誤差。

3 熱噴涂制備WC復合涂層

熱噴涂技術，通常利用火焰、電弧、等離子射流等作為熱源，將粉末狀(或絲狀、棒狀)噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)并高速噴射到基體上，經(jīng)快速冷卻凝固沉積在基體表面形成涂層的一種制備方法。熱噴涂的工藝方法有很多，其中適用于WC的有等離子噴涂、超音速火焰噴涂(High Velocity Oxygen Fuel，HVOF)、爆炸噴涂等[29-30]。

等離子噴涂具有操作簡單，成本低等優(yōu)點，但是噴涂層多呈現(xiàn)出層狀結構，較多的氣孔也容易形成金屬基體的腐蝕源[31]。由于等離子的自身特點，等離子噴涂制備WC復合涂層的過程中溫度較高，導致WC顆粒易于分解。WC粒徑越小，則越容易分解。白智輝等[32]分別以0.8，1.5，3.5 μm的WC-17Co顆粒為原料，采用等離子噴涂工藝在Q235鋼表面制備了WC復合涂層。研究表明WC粒徑越大，復合涂層中WC顆粒燒損越不明顯，復合涂層的耐磨性也越好。復合涂層的組織與性能同時也受黏結劑金屬含量的影響。文獻[33]表明，適當?shù)酿そY劑含量可以減少復合涂層中等軸晶的含量，同時避免WC燒損，使復合涂層組織中存在數(shù)量較多、呈均勻彌散分布的WC。

超音速火焰噴涂制備WC復合涂層技術的顯著特點是降低噴涂溫度、提高噴涂速率。因此噴涂過程中WC的氧化燒損顯著減少，復合涂層的孔隙率降低，耐磨、耐蝕、耐高溫性能也有所提高。鈷與鎳同樣也是超音速火焰噴涂常用的黏結劑，梁文軍等[34]研究了這兩種黏結劑在超音速火焰噴涂制備WC復合涂層過程中的差異，結果表明：WC-10Ni與WC-12Co涂層都提高了基體表面的耐磨性，磨損機理都主要為微切削與微剝；WC-12Co涂層在高載荷下的耐磨性優(yōu)于WC-10Ni涂層的，體現(xiàn)出較優(yōu)的綜合性能。李長久等[35]的研究結果表明，在一定范圍內(nèi)復合涂層與基體的結合強度與WC粉末的結構不顯著相關。超音速火焰噴涂復合涂層被廣泛應用于各種高溫環(huán)境服役設備中，如銅結晶器以及熱軋輥等，與WC硬質(zhì)合金相比，熱噴涂中的WC顆粒尺寸更小，分布也較不均勻，因此它們的高溫性能也有所差別。JAFARI等[36]研究了超音速火焰噴涂制備的WC-Co涂層的高溫氧化行為，研究表明，通過在WC-Co顆粒表面化學鍍上一層鎳可以顯著提高顆粒氧化反應的激活能，從而提高涂層的耐氧化性能。為了提高超音速火焰噴涂涂層性能，GISARIO等[37]首先在AA 6082 T6鋁合金表面制備了WC-Co/NiCr涂層，然后進行激光重熔后處理，試驗表明，在激光后處理過程中，涂層中的氣孔會合并，因此導致晶粒變大。激光功率與掃描速率對涂層性能影響顯著，通過合理的選擇激光功率與掃描參數(shù)可以提高涂層的致密度。

爆炸噴涂就是利用可燃性氣體爆炸時產(chǎn)生的脈沖能量將噴涂材料加熱，并噴射到基體表面的工藝。與其他熱噴涂工藝相比，爆炸噴涂結合強度更大，涂層孔隙率更低，顯微硬度則更高[38]。爆炸噴涂中噴涂材料會高速(最高達1 300 m·s-1)射向基體表面，強大的沖擊力使得單道噴涂厚度一般不超過0.3 mm。隨著涂層厚度的增加，復合涂層組織變得疏松，層間應力變大，復合涂層力學性能也會下降。吳旭等[39]利用爆炸噴涂在鋁合金表面制備了厚度約60 μm的WC-Co復合涂層，涂層顯微硬度為1 100～1 300 HV，平均孔隙率小于1.0%(體積分數(shù))，最大孔隙直徑為0.012 mm，X射線衍射(XRD)分析結果顯示，復合涂層中存在少量W2C與Co3W3C，說明噴涂過程中存在輕微脫碳。張素芬等[40]研究了噴涂距離與氧燃率對爆炸噴涂復合涂層的影響，結果表明：在一定的噴涂距離下，氧燃率過低會使孔隙率增高，氧燃率過高則會增加WC分解及脫碳的趨勢；當氧燃率為1.06、噴涂距離為110 mm時，復合涂層性能最好。閆玉濤等[41]研究了采用爆炸噴涂技術制備的WC復合涂層的高溫摩擦性能，結果表明：300 ℃以下復合涂層減摩性較好，主要為磨粒磨損、撕裂和剝層；當溫度在300～550 ℃時，涂層減摩性變差，出現(xiàn)黏著磨損和氧化磨損。

4 結束語

通過表面處理，可以顯著提高金屬工件的耐磨和耐蝕性能，從而提高工件服役壽命，這對節(jié)約資源，減少污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也是我國邁向工業(yè)4.0不可或缺的一步。目前工業(yè)生產(chǎn)WC復合涂層多采用熱噴涂與激光熔覆的方法，但是熱噴涂與激光熔覆技術都存在一些不足。熱噴涂過程中溫度較高，容易導致WC脫碳；其次是涂層中氣孔較多，且不能使復合涂層與基體金屬形成冶金結合，導致復合涂層結合力較差。激光熔覆過程中，溫度變化劇烈，熔池內(nèi)溫度梯度大，容易使復合涂層中產(chǎn)生熱裂紋。與之相比，真空熔覆技術則克服了它們的不足。真空熔覆過程中，涂層與基體金屬之間形成冶金結合，涂層與基體之間結合力較高，涂層中WC顆粒分布均勻，脫碳燒損現(xiàn)象不明顯，通過預制成型，粉末利用率也顯著高于熱噴涂與激光熔覆方法的，因此真空熔覆技術是制備WC復合涂層的一個重要研究方向。真空熔覆技術的關鍵點是根據(jù)涂層硬度、結合力、耐蝕性等要求選擇恰當?shù)腤C顆粒與黏結劑的比例，同時應開發(fā)不同的黏結劑體系如鎳基、銅基黏結劑等來適應不同的應用場合。此外對傳統(tǒng)工藝如激光熔覆、熱噴涂等的升級與改造也是一個值得關注的方向，提高資源利用率，減少污染排放，改善作業(yè)環(huán)境，以符合國家戰(zhàn)略的發(fā)展要求。

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ResearchandDevelopmentStatusofPreparationProcessesofWCParticleReinforcedMetalMatrixCompositeCoatings

BAFahai,LIKai,WANGFei,ZHANGChao

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Materials Application and Evaluation, Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

The research situations of the preparation processes of WC particle reinforced metal matrix composite coatings at home and abroad were reviewed, such as vacuum cladding, laser cladding, thermal spraying and so on. The characteristics of different processes and product performances were described mainly, and the developing tendency in the future was also prospected. The analysis presents that WC particle reinforced metal matrix composite coatings could improve the surface hardness and enhance the wear resistance and corrosion resistance. The effects of various processes on the final products were different. Compared with laser cladding method and thermal spraying method, vacuum cladding method had great advantages on the aspects of bonding strength, coating uniformity, etc. Finally, it was pointed out that the improvement in traditional techniques such as laser cladding and thermal spraying was also an attractive topic.

WC; particle reinforced metal matrix composite coating; vacuum cladding; laser cladding; thermal spraying

TG174.44

A

1001-4012(2017)10-0720-05

10.11973/lhjy-wl201710006

2016-07-13

巴發(fā)海(1966-)，男，教授級高工，博士,主要從事材料檢測、失效分析與安全評估等方面的研究,bafahai@163.com