WC-10Co4Cr涂層的泥漿和砂粒沖刷性能*

劉自敬，鄧春明，陳志坤，王 昊

廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

WC-10Co4Cr涂層的泥漿和砂粒沖刷性能*

劉自敬，鄧春明，陳志坤，王 昊

廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

以WC-10Co4Cr粉末為熱噴涂粉末，采用低溫超音速火焰噴涂(LT-HVOF)和超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)制備了WC-10Co4Cr涂層，并對兩種涂層的泥漿和砂粒沖刷性能進(jìn)行測試.結(jié)果表明：低溫超音速火焰噴涂WC涂層的耐泥漿沖刷性能明顯優(yōu)于普通超音速火焰噴涂涂層，而耐砂粒沖刷性能略優(yōu)于后者.低溫超音速火焰噴涂WC涂層較高的致密度和硬度是其耐泥漿和砂粒沖刷性能更好的主要原因.

LT-HVOF；HVOF； WC-10Co4Cr涂層；泥漿沖刷；砂粒沖刷

超音速火焰噴涂(HVOF，High Velocity Oxygen Fuel )技術(shù)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛.其中超音速火焰噴涂WC基金屬陶瓷涂層具有硬度高、結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)良的特點(diǎn)，是其最典型的應(yīng)用.近二十年來，超音速火焰噴涂WC涂層已經(jīng)成功替代電鍍硬鉻應(yīng)用于液壓密封、各類軸、輥等，顯著提高了許多高端裝備關(guān)鍵部件的耐磨性和耐腐蝕性能，在延長部件使用壽命、提高生產(chǎn)效率和節(jié)能節(jié)材等方面效果顯著[1].隨著該技術(shù)應(yīng)用的不斷拓展，超音速火焰噴涂WC涂層應(yīng)用于更惡劣的工況，如高速泥漿沖刷.在服役過程中WC涂層需承受砂粒的沖刷，這些工況對超音速火焰噴涂WC涂層的性能就有了更高的要求[2-3].

為了獲得更高質(zhì)量的超音速火焰噴涂WC涂層，超音速火焰噴涂技術(shù)朝著更低的焰流溫度和更高的焰流速度的研究方向發(fā)展，低溫大氣環(huán)境下避免了粉末粒子的氧化，而高速焰流則保持了WC粉末對前面沉積涂層的噴丸強(qiáng)化作用，從而提高了涂層致密度.新型的超音速火焰噴涂技術(shù)出現(xiàn)了溫噴涂[4]、高壓超音速火焰噴涂[5]等技術(shù).這些工藝的特點(diǎn)是通過對噴槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，或在焰流中注入高流量氮?dú)獾忍岣呷紵业膲毫Γ_(dá)到降低焰流溫度和提高焰流速度的效果.本文作者開發(fā)的低溫超音速火焰噴涂技術(shù)(LT-HVOF；Low Temperature HVOF)也是在普通超音速火焰噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對噴槍和噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高燃燒室壓力，進(jìn)而獲得低溫高速焰流，從而獲得高致密涂層.

本文以商用WC-10Co4Cr粉末為熱噴涂粉末，分別采用常規(guī)超音速火焰噴涂和低溫超音速火焰噴涂(LT-HVOF)技術(shù)制備兩種WC-10Co4Cr涂層，然后對涂層在泥漿和砂粒沖刷下的服役性能進(jìn)行對比，分析其性能差異的原因.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 涂層制備

圖1為實(shí)驗(yàn)中采用的經(jīng)團(tuán)聚燒結(jié)、破碎的WC-10Co4Cr粉末形貌，其粒徑為10～30 μm.由圖1可知，粉末形狀不規(guī)則，既有球形粉末，也有棱角尖銳粉末.該粉末流動(dòng)性能較好.在高倍下可看到，WC-10Co4Cr粉末中WC的粒徑為1～2 μm.

分別采用LT-HVOF和HVOF工藝，在經(jīng)除油清洗、噴砂粗化處理的316L不銹鋼表面制備涂層，所制備的WC-10Co4Cr涂層厚度均為200 μm以上，制備涂層的工藝參數(shù)列于表1.

1.2 表 征

采用JSM-5910型掃描電鏡(JEOL, Japan)對粉體和涂層剖面以及沖刷后的表面進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察；以維氏金剛石為壓頭，采用MH-5D型顯微硬度儀對涂層的顯微硬度和斷裂韌性進(jìn)行測試，其中顯微硬度測試加載力為2.94 N，斷裂韌性測試加載力為49 N，加載時(shí)間均為15 s.

圖1 WC-10Co4Cr粉末形貌Fig.1 Morphologies of WC-10Co4Cr powders

噴涂工藝氧氣流量/(L·min-1)煤油流量/(L·h-1)送粉量/(g·min-1)燃燒室壓力/MPa噴涂距離/mmLT-HVOF780131001.54220HVOF900261000.84380

泥漿沖刷評價(jià)方法：室溫條件下，用固液雙相流沖刷腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)(MF-20，China)測量涂層的耐泥漿沖蝕性能.試樣為12 mm×12mm×30mm的長方體，用砂紙將其六個(gè)面打磨、拋光至粗糙度為0.25 μm,以防泥漿沖蝕過程中砂粒嵌入基體，影響后續(xù)的失重測量.沖蝕前后用酒精清洗涂層，并測其質(zhì)量.泥漿沖蝕時(shí)間為10 h，通過涂層失重來表征其耐泥漿沖蝕性能.泥漿由去離子水和自配的河砂組成(砂粒粒徑0.38～1.7 mm),泥漿濃度(體積分?jǐn)?shù))為17.95%.泥漿沖蝕的線速度為18 m/s，沖擊角度為30°，45°和60°.

砂粒沖刷評價(jià)方法：室溫條件下，用自制的虹吸式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)對涂層進(jìn)行氣體噴砂沖蝕試驗(yàn)，沖擊角度為30°和90°，沖蝕時(shí)間為0，10，20，30，40，50 s，沖蝕顆粒為白剛玉Al2O3(平均粒徑45 μm).氣體噴砂沖蝕前后用酒精清洗涂層，并測質(zhì)量，通過涂層氣體噴砂沖蝕體積損失來表征其抗砂粒沖蝕性能(WC涂層密度13.6 mg/cm3).沖蝕參數(shù)為空氣壓力0.4 MPa、沖蝕顆粒速度(50±2)m/s、沖蝕顆粒流量(2.0±0.5)g/min、噴嘴內(nèi)孔直徑(1.5±0.075)mm、噴嘴與試樣表面的距離(10±1)mm.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微結(jié)構(gòu)

2種WC-10Co4Cr涂層的剖面形貌如圖2所示.由圖2可知，兩種涂層都具有較高的致密度，但采用常規(guī)超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層的缺陷偏多，而采用低溫超音速火焰噴涂獲得的涂層致密度明顯偏高.

2.2 涂層的泥漿沖刷性能

在相同的沖刷時(shí)間內(nèi)，泥漿沖擊角對WC-10Co4Cr涂層沖刷性能的影響如圖3所示.由圖3可知，在三種沖擊角下，低溫超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層的泥漿沖刷體積損失不足普通超音速火焰噴涂涂層體積損失的1/2，說明前者具有良好的耐泥漿沖刷性能.

圖2 WC-10Co4Cr涂層的剖面形貌(a)HVOF；(b)LT-HVOF Fig.2 Cross sectional images of WC-10Co4Cr coatings

圖3 泥漿沖擊角對WC-10Co4Cr涂層沖刷性能的影響Fig.3 Effect of volume loss of WC-10Co4Cr coatings after slurry erosion test

兩種WC-10Co4Cr涂層在不同沖擊角下泥漿沖刷的表面形貌如圖4所示.由圖4可看出， HVOF涂層經(jīng)沖刷后發(fā)生明顯的涂層剝落，導(dǎo)致在三種沖擊角下的體積沖刷量大；LT-HVOF涂層表面的局部區(qū)域的粘結(jié)相被沖刷掉，露出WC硬質(zhì)相，隨著沖刷的進(jìn)行，涂層中粘結(jié)相的沖刷消耗，最終導(dǎo)致涂層中沒有粘結(jié)相而發(fā)生沖刷脫落.

圖4 兩種WC-10Co4Cr涂層在不同沖擊角下泥漿沖刷后的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of WC-10Co4Cr coatings after slurry erosion at different impingement angles

2.3 涂層的砂粒沖刷性能

在30°和90°兩種沖擊角下，砂粒沖刷時(shí)間對涂層體積損失的影響如圖5所示.由圖5可知，兩種涂層在30°和90°兩種沖擊角下的體積損失量相當(dāng)；隨著沖刷時(shí)間的延長，體積損失量基本呈線性增加；在兩種沖擊角下，LT-HVOF涂層的砂粒沖刷體積損失量略低于HVOF涂層，說明LT-HVOF涂層具有較優(yōu)良的耐砂粒沖刷性能.

在30°和90°兩種沖擊角下，砂粒沖刷50 s后涂層的表面形貌如圖6所示.由圖6可知，在不同沖擊角下兩種涂層的表面形貌沒有明顯的區(qū)別，均出現(xiàn)犁溝及顆粒翹起的現(xiàn)象，說明在砂粒沖刷下涂層發(fā)生微剝離.

圖5 兩種WC-10Co4Cr涂層在不同沖擊角下的體積沖刷量Fig.5 Volume loss of WC-10Co4Cr coatings after dry sand erosion at different angles

圖6 在不同沖擊角下砂粒沖刷兩種WC-10Co4Cr涂層后的表面形貌Fig.6 Surface morphologies of WC-10Co4Cr coatings after dry sand erosion at different impingement angles

2.4 討 論

低溫超音速火焰噴涂是在低的焰流溫度和高的焰流速度下實(shí)現(xiàn)高速粒子沉積，制得的涂層較常規(guī)超音速火焰噴涂WC涂層具有更高的致密度和顯微硬度，尤其是顯微硬度.低溫超音速火焰噴涂涂層的顯微硬度達(dá)到1250Hv，較常規(guī)超音速火焰噴涂涂層的1100Hv有明顯的提高.在相同的泥漿沖刷條件下，低溫超音速火焰噴涂涂層的粘結(jié)相出現(xiàn)一定程度的沖刷磨損，露出WC硬質(zhì)顆粒；常規(guī)超音速火焰噴涂涂層則出現(xiàn)明顯的剝落坑，其耐泥漿沖刷性能較差.而在砂粒的沖刷下，涂層的沖刷性能不僅與涂層的致密度和硬度有關(guān)，而且與涂層的斷裂韌度有很大關(guān)系.涂層的斷裂韌度決定了涂層沖刷后裂紋的擴(kuò)展以及涂層剝落.用壓痕法測量涂層的斷裂韌度，發(fā)現(xiàn)斷裂韌度值波動(dòng)較大.兩種WC涂層的斷裂韌度值沒有明顯的區(qū)別，為4.5～5.0 MPa·m1/2.在砂粒沖刷下兩種涂層的體積沖刷量相近.但由于低溫超音速火焰噴涂WC涂層具有更高的顯微硬度，該涂層的抗沖刷性能略優(yōu)于傳統(tǒng)的WC涂層.

3 結(jié) 論

采用低溫超音速火焰噴涂和普通超音速火焰噴涂制備了致密的WC涂層，前者具有更高的致密度和顯微硬度，其耐泥漿沖刷性能明顯優(yōu)于后者，而耐砂粒沖刷性能略優(yōu)于后者.低溫超音速火焰噴涂WC涂層較高的致密度和硬度是其耐泥漿和砂粒沖刷性能更好的主要原因.

[1] PICAS J A，F(xiàn)ORN A，MATTHUS G.HVOF coatings as an alternative to hard chrome for pistons and valves [J].Wear， 2006，261(5-6)：477-484.

[2] THAKUR L，ARORA N.A comparative study on slurry and dry erosion behaviour of HVOF sprayed WC-CoCr coatings[J].Wear，2013，303(1-2):405-411.

[3] PEAT T，GALLOWAY A，TOUMPIS A，et al.Performance evaluation of HVOF deposited cermet coatings under dry and slurry erosion[J].Surface & Coatings Technology，2016，300：118-127.

[4] KURODA S，WATANABE M，KIM K H，et al.Current status and future prospects of warm spray technology [J].Journal of Thermal Spray Technology，2011，20(4):653-676.

[5] SUN B，F(xiàn)UKANUMA H.Deposition of WC-Co coatings using a novel high pressure HVOF[C].Thermal Spray 2012：Proceedings of the international thermal spray conference.Houston: ASM International，2012：858-863.

Slurry and dry sand erosion performance for WC-10Co4Cr coating

LIU Zijing，DENG Chunming，CHEN Zhikun，WANG Hao

GuangdongInstituteofNewMaterials，NationalEngineeringLaboratoryforModernMaterialsSurfaceEngineeringTechnology，GuangdongProvincialKeyLabforModernMaterialsSurfaceEngineeringTechnology，Guanzhou510650，China

WC-10Co4Crcoatingwaspreparedvialowtemperaturesupersonicflamespraying(LT-HVOF)andsupersonicflamespraying(HVOF)withWC-10Co4Crpowderasthethermalsprayingpowder.Theslurryanddrysanderosionpropertiesofthetwocoatingswasevaluated.TheresultsshowthattheperformanceoflowtemperaturesupersonicflamesprayingWCcoatingisbetterthanthatofordinarysupersonicflamesprayingcoating,andthesanderosionresistanceisslightlybetterthanthelatter.LowtemperaturesupersonicflamesprayingWCcoatinghigherdensityandhardnessisthemainreasonforitsbetterresistancetoslurryandsanderosion.

LT-HVOF；HVOF；WC-10Co4Crcoating；slurryerosion；drysanderosion

2017-04-05

國家科技支撐項(xiàng)目(2014BAF08B03)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B070701024)

劉自敬(1965-)，男，廣東陽江市人，工程師，學(xué)士.

鄧春明(1976-)，男，教授級高工，江西黎川人.

1673-9981(2017)02-0067-05

TB333

A