超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層組織及耐磨耐蝕性研究

江利豐， 張廣偉,2

(1.大連華銳重工特種備件制造有限公司，遼寧 大連 116052；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178)

超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層組織及耐磨耐蝕性研究

江利豐1， 張廣偉1,2

(1.大連華銳重工特種備件制造有限公司，遼寧 大連 116052；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178)

采用超音速火焰噴涂工藝在不同噴涂距離下制備了WC-10Co4Cr涂層，并對其組織結(jié)構(gòu)及耐磨耐腐蝕性能進(jìn)行了研究。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀分析了涂層的組織結(jié)構(gòu)和相組成，并測試了涂層顯微硬度、孔隙率；對涂層磨損表面進(jìn)行了觀察分析，探討了涂層的失效形式。結(jié)果表明，噴涂距離對涂層的組織結(jié)構(gòu)及耐磨性具有一定影響。適當(dāng)增加噴涂距離，粒子由于在焰流中停留時間增加而使熔化程度加大，撞擊基體后扁平化現(xiàn)象明顯。因此，涂層的致密度、耐磨性、耐腐蝕性都有所提高。當(dāng)噴涂距離為380 mm時，涂層呈現(xiàn)出較好的耐磨性及耐腐蝕性。

超音速火焰噴涂； WC-10Co4Cr涂層； 噴涂距離； 耐磨性； 耐腐蝕性

超音速火焰噴涂(High Velocity Oxygen Fuel，簡稱為HVOF)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種火焰噴涂技術(shù)[1]，因具有較快的焰流速度、較低的焰流溫度，能有效地抑制碳化物顆粒分解[2]，獲得結(jié)合強(qiáng)度高、致密性好、碳化物含量高、耐磨性能優(yōu)越的涂層，可提高零部件的使用壽命。因此，超音速火焰噴涂技術(shù)在航空航天、石油、能源、汽車、冶金、礦山、化工等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[3-5]。

WC粉末常被用于制備耐腐蝕及耐磨涂層，其陶瓷相WC具有很高的硬度、耐磨性及耐腐蝕性，其金屬黏結(jié)相Co具有較好的韌性，Cr的添加可以在其表面形成CrO鈍化膜，防止腐蝕的進(jìn)一步加劇，從而提高涂層的耐腐蝕能力[6-8]。C.W.Lee等[9]使用不同粒度的WC粉末，利用超音速火焰噴涂技術(shù)制備了具有較高斷裂韌性和耐磨損的涂層組織。

在不同工藝參數(shù)下制備的涂層耐腐蝕性差異很大。因此，本文采用不同的噴涂距離，使用超音速火焰噴涂方法制備涂層，并對其耐磨性和耐腐蝕性進(jìn)行研究及討論。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)基體為Q235鋼，其規(guī)格為20 mm×20 mm×3 mm；噴涂材料為WC-10Co4Cr團(tuán)聚粉末，其粒度為15～45 μm。采用超音速火焰噴涂工藝制備WC-10Co4Cr涂層，其厚度為0.15～0.20 mm。超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層的工藝參數(shù)見表1。

表1 超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層的工藝參數(shù)

使用島津7000 型X射線衍射儀、日立S3400掃描電子顯微鏡和HVS-5型維氏硬度計等手段，對涂層組織及性能進(jìn)行檢測；利用MMW-1型立式萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，對磨材料為淬火的45鋼。實(shí)驗(yàn)接觸面壓力為200 N，轉(zhuǎn)速為500 r/min，磨損時間為60 min。對WC-10Co4Cr涂層進(jìn)行乙酸鹽霧實(shí)驗(yàn)。將NaCl溶于蒸餾水中，其質(zhì)量濃度為50 g/L。用冰乙酸調(diào)節(jié)鹽溶液的pH 至3.1～3.3。實(shí)驗(yàn)溫度為35 ℃，飽和空氣桶溫度為63 ℃，腐蝕時間為24 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用失重法進(jìn)行評定。實(shí)驗(yàn)前，首先用精度為0.000 1 g的電子天平稱量試件的質(zhì)量，并采用游標(biāo)卡尺測量試件尺寸，以計算試件表面積，然后將涂層試樣和基體試樣一起放入鹽霧箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。24 h后取出試件并進(jìn)行清洗，然后放置在110 ℃的烘干箱中烘干6 h；用精度為0.000 1 g的電子天平稱量，計算失重量和單位面積失重率；與Q235鋼試件進(jìn)行對比分析，歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行討論。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層微觀組織分析

不同噴涂距離下涂層的XRD譜圖如圖1所示。由圖1可知，噴涂距離(用x表示，下同)的不同并沒有影響涂層的組成成分，三組試樣的成分相同，均為WC以及Co6W6C相，并且峰強(qiáng)變化不大，可以認(rèn)為其含量區(qū)別不大。

圖1 不同噴涂距離下涂層的XRD譜圖

涂層截面形貌、灰度化照片及局部放大形貌如圖2所示。

(a) x=340 mm

(b) x=360 mm

(c) x=380 mm圖2 涂層截面形貌、灰度化照片及局部放大形貌

由圖2可知，從總體上看涂層均較為致密，但存在少量孔隙。由圖2(a)可知，孔隙較大且不規(guī)則，局部出現(xiàn)密集型氣孔，說明噴涂粒子存在熔化狀態(tài)不良的情況，形成涂層時扁平化過程不充分；由圖2(b)可知，當(dāng)增加噴涂距離時，涂層孔隙率明顯減少，粒子熔融狀態(tài)良好；由圖2(c)可知，當(dāng)噴涂距離達(dá)到380 mm時，涂層最為致密，粒子扁平化程度充分。通過ImageJ軟件灰度化處理后，測定了涂層的孔隙率。噴涂距離分別為340、360、380 mm時，涂層的孔隙率分別為2.66%、1.40%、0.41%。此外，從圖2中局部放大形貌也能明顯地看出，涂層孔隙率隨噴涂距離的減少而增大。其主要原因是：當(dāng)噴涂距離較近時，粒子在焰流中沒有足夠的停留時間，因此不能充分熔融，撞擊到基體上時無法充分扁平化而留有較大孔隙[10-11]；適當(dāng)增加噴涂距離后，粒子在焰流中的熔融效果較好，涂層也更加致密。

涂層組織局部放大圖如圖3所示，圖3中各微區(qū)的能譜檢測結(jié)果即各微區(qū)的元素組成見表2。與XRD結(jié)果(圖1)相似，各試件的總體元素組成相同。圖3中，A相主要為WC，B相主要為Co6W6C，由于經(jīng)歷噴涂時的高溫，塊狀WC邊緣部分熔化，導(dǎo)致部分WC相分解，其中W和C會溶入到B相中,其中還會有一些微細(xì)的未溶的WC微粒。

(a) x=340 mm (b) x=360 mm (c) x=380 mm圖3 涂層組織局部放大圖表2 各微區(qū)的元素組成 %

2.2 涂層顯微硬度分析

各涂層沿厚度方向的顯微硬度曲線如圖4所示。從圖4可以看出，涂層硬度隨著噴涂距離的增加而增大；噴涂距離增大，涂層的致密度有所提高。對WC-10Co4Cr來講，致密度與其硬度成正比，隨著致密度的增加、孔隙率的降低，硬度呈上升趨勢，這與王振強(qiáng)等[12]的研究結(jié)果相似。

圖4 各涂層沿厚度方向的顯微硬度曲線

2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度分析

由于采用標(biāo)準(zhǔn)涂層結(jié)合強(qiáng)度測定方法GB/T 8642—1988測定其結(jié)合強(qiáng)度時，涂層結(jié)合強(qiáng)度大于黏結(jié)膠固化后的自身強(qiáng)度(約70 MPa)，拉伸時從固化膠內(nèi)部斷裂，因此無法測得涂層真實(shí)的結(jié)合強(qiáng)度。

為了測定涂層的真實(shí)結(jié)合強(qiáng)度，采用了特制的測試試件，其尺寸及裝配圖如圖5所示。

(a) 上試樣 (b) 下試樣 (c) 試樣裝配圖圖5 特制測試試件的尺寸及裝配圖(單位：mm)

涂層結(jié)合強(qiáng)度計算式為：

式中，σb為涂層的結(jié)合強(qiáng)度，MPa；P為涂層與試件銷拉斷載荷，N；φ為銷直徑，mm。

為了防止涂層發(fā)生剪切破斷，銷的直徑必須很小，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定φ=4 mm；實(shí)驗(yàn)中每組為3個試件，分別測定其結(jié)合強(qiáng)度，然后取其平均值。噴涂距離不同的各涂層的結(jié)合強(qiáng)度見圖6。由于噴涂粒子之間的結(jié)合仍屬于機(jī)械結(jié)合，因此抗拉強(qiáng)度均在70 MPa上下。雖然其值與冶金結(jié)合狀態(tài)的Co-Cr-WC(如堆焊組織)的強(qiáng)度相差較大，但也基本達(dá)到了超音速火焰噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度水平。涂層拉伸強(qiáng)度與孔隙率有較大聯(lián)系，當(dāng)噴涂距離為380 mm時孔隙率最低，結(jié)合強(qiáng)度最大。由于WC-10Co4Cr涂層是一種脆性材料，對缺口敏感性極強(qiáng)，其中的孔隙作為微觀的缺口，是降低其結(jié)合強(qiáng)度的主要原因。

圖6 噴涂距離不同的各涂層的結(jié)合強(qiáng)度

2.4 涂層耐磨性能分析

涂層進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)后的表面形貌及局部放大形貌如圖7所示。

x=340 mm x=360 mm x=380 mm (a) 涂層表面形貌

x=340 mm x=360 mm x=380 mm (b) 局部放大形貌圖7 磨損后的涂層表面形貌及局部放大形貌

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，在不同的噴涂距離下制備的涂層，其磨損均為黏著磨損。兩對磨面在接觸過程中因分子間結(jié)合力的作用而被焊合，當(dāng)接觸面結(jié)合力大于其黏結(jié)相的強(qiáng)度時，接觸面則脫離涂層表面，黏結(jié)磨損就是在不斷的脫離和焊合的過程中產(chǎn)生的[13]。從圖7(b)可以看出，黏焊形貌十分明顯，可以確定此磨損為黏著磨損。由圖7(a)可知，噴涂距離為340 mm時磨損程度最高，噴涂距離為360 mm時次之，噴涂距離為380 mm時最低，換言之，隨著噴涂距離的增加，涂層的耐磨性能逐漸提高。

2.5 涂層耐腐蝕性能分析

鹽霧腐蝕后的表面形貌如圖8所示。從圖8可以看出，總體上看各涂層的腐蝕程度相差不大，腐蝕面上沒有明顯的銹斑和腐蝕坑，屬于均勻腐蝕。無涂層保護(hù)的Q235鋼受腐蝕較為嚴(yán)重，已產(chǎn)生較為明顯的銹斑。

(a)x=340mm(b)x=360mm(c)x=380mm(d)Q235(無涂層)

圖8 鹽霧腐蝕后的表面形貌

腐蝕前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比見表3。由表3可知，WC-10Co4Cr涂層具有良好的耐腐蝕性能，而Q235鋼的耐腐蝕性能較差，受腐蝕程度接近WC-10Co4Cr涂層的10倍。從3組試樣的單位面積失重率可以看出，噴涂距離為380 mm時涂層耐腐蝕性能最好；從總體上看，隨著噴涂距離的增加，涂層的耐腐蝕性能隨之增加。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是涂層的致密度較高，孔隙率較低，加之CrO提供的鈍化效果使鹽霧被阻擋在涂層表面之外，減慢腐蝕進(jìn)程；當(dāng)噴涂距離較近時，涂層孔隙率較大，鹽霧會進(jìn)入孔隙的區(qū)域加速腐蝕。

表3 腐蝕前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3 結(jié) 論

(1)適當(dāng)增加噴涂距離，粒子在焰流中停留時間延長，提高涂層的致密度。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴涂距離增大到380 mm時，涂層各方面的力學(xué)性能最好。

(2)通過磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏著磨損為其主要發(fā)生機(jī)理。在鹽霧腐蝕過程中，腐蝕表面較為均勻，相對于基體組織，涂層防護(hù)效果較為明顯。

(3)雖然在噴涂過程中不可避免有部分WC相分解，但WC-10Co4Cr涂層的硬度最高可以達(dá)到1 400 HV，采用超音速火焰方法制備涂層，能夠最大程度地保留材料的原始性能。

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(編輯 宋錦玉)

Study on the Microstructure and Wear/Corrosion Resistance of WC-10Co4Cr Coating Deposited by High Velocity Oxy-Fuel

Jiang Lifeng1, Zhang Guangwei1,2

(1.DalianHuaruiHeavyIndustrialSpecialSpearPartsCo.,Ltd.，DalianLiaoning116052，China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ShenyangUniversityofTechnology，ShenyangLiaoning110178，China)

WC-10Co4Cr coatings were prepared by high velocity oxy-fuel with different spray distances. The internal structure and wear/corrosion resistance of the coating were studied. The internal structure and phase composition of the coating were analyzed by Metallographic microscope, SEM and XRD. The microscopic structure, microhardness, porosity, density, wear/ corrosion resistance properties were tested. The results showed that the particle stayed in the jet for longer time and in the process of spraying it enlarged the melting degree as the distance increased. As a result, complete flattening of particles was gained which increased the density of coating and the property of wear resistance and corrosion resistance. The coating showed the best property of wear resistance and corrosion resistance at the spray distance of 380 mm.

High velocity oxy-fuel； WC-10Co4Cr coatings； Spray distance； Wear resistance； Corrosion resistance

1672-6952(2017)02-0054-06

2017-01-05

2017-02-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51301112)；沈陽市科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(F14-231-1-26)。

江利豐(1965-)，男，工程師，從事特種焊接及表面強(qiáng)化技術(shù)方面的研究；E-mail：jianglf5098@sina.com。

張廣偉(1981-)，男，博士研究生，從事特種焊接及表面強(qiáng)化技術(shù)方面的研究；E-mail：zgw2006094@163.com。

TQ050.4+4

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.02.012

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn