不同電流下超音速等離子噴涂鉬–鎢復(fù)合涂層的性能

劉貴民*，朱碩，閆濤，杜林飛，張曉輝

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造工程系，北京 100072；2.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院，河北 石家莊 050000）

不同電流下超音速等離子噴涂鉬–鎢復(fù)合涂層的性能

劉貴民1,*，朱碩1，閆濤1，杜林飛1，張曉輝2

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造工程系，北京 100072；2.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院，河北 石家莊 050000）

將Mo粉和W粉按質(zhì)量比4∶1混合后用超音速等離子噴涂系統(tǒng)在45CrNiMoVA鋼表面制備了Mo–W復(fù)合涂層。通過掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射儀、顯微硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了不同噴涂電流下所制涂層的微觀形貌、成分、物相、顯微硬度及耐磨性。結(jié)果表明，噴涂電流對(duì)Mo–W復(fù)合涂層影響顯著，噴涂電流為350 A時(shí)所制涂層的各項(xiàng)性能最好。電流過大或過小均會(huì)導(dǎo)致涂層疏松，孔隙增大。Mo–W復(fù)合涂層顯著提高了基體的顯微硬度及耐磨性。在摩擦磨損過程中涂層和基體表面均生成了一層薄薄的耐磨氧化膜。

鋼；鉬；鎢；超音速等離子噴涂；復(fù)合涂層；電流；耐磨性

Abstract:Mo–W composite coatings were prepared on the surface of 45CrNiMoVA steel by supersonic plasma spraying at a Mo-to-W mass ratio of 4:1.The micro-morphology, elemental composition, phase structure, microhardness and wear resistance of the coatings prepared at different spraying currents were studied by scanning electron microscope,energy-dispersive spectrometer, X-ray diffractometer, microhardness tester and tribometer.The results showed that spraying current has a significant effect on the Mo–W composite coating.The coating prepared at a spraying current of 350 A has the best performance.Either too large or too small spraying current will lead to a loose coating with enlarged pores.Mo–W composite coating significantly improves the microhardness and wear resistance of the substrate.It was found that a thin layer of wear-resistant oxide film is formed both on the surfaces of coating and substrate during the frictional wearing process.

Keywords:steel; molybdenum; tungsten; supersonic plasma spraying; composite coating; current; wear resistance

First-author’s address:Department of Equipment Remanufacturing Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China

鎢(W)是熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、強(qiáng)度和硬度都非常高的金屬，且化學(xué)穩(wěn)定性很好[1]。在基體表面制備W涂層可廣泛用作耐磨、耐蝕和熱障材料，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯材料[2]，藥型罩材料[3]，武器表面涂層[4]，X射線機(jī)中的靶材[5]，微電子器件中的探針和觸頭，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器等[6]。

金屬鉬(Mo)具有熔點(diǎn)高、密度大、硬度高、高溫強(qiáng)度高、耐電弧燒蝕、耐腐蝕、耐磨、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)較低、抗熱沖擊性能優(yōu)異等特點(diǎn)[7-8]，以其為熱噴涂原料制備的涂層被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電工、冶金石化、軍事裝備、核工業(yè)等領(lǐng)域[9]。

目前較成熟的制備W、Mo涂層的工藝是等離子噴涂，但單純地用純金屬作為熱噴涂材料已經(jīng)無法滿足日益發(fā)展的工業(yè)對(duì)材料性能的需求，如純Mo涂層至今無法應(yīng)用在貧油、高速、高溫氧化等復(fù)雜條件下[10-11]。20世紀(jì) 90年代發(fā)展起來的超音速等離子噴涂技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，其超高的射流溫度使粒子在撞擊扁平化之前就充分熔融，得到性能更優(yōu)異、結(jié)合更好的涂層。目前國內(nèi)在超音速等離子噴涂Mo–W復(fù)合涂層方面的研究很少。為綜合利用Mo與W的優(yōu)異性能，本文采用裝甲兵工程學(xué)院自主研發(fā)的高效能HEP-Jet超音速等離子噴涂系統(tǒng)制備了Mo–W復(fù)合涂層，研究了其微觀形貌、顯微硬度及耐磨性，探索噴涂電流對(duì)其性能的影響規(guī)律，為超音速等離子噴涂Mo–W復(fù)合涂層提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為其應(yīng)用積累理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

將北京桑堯技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的純Mo粉(純度≥99.9%，粒徑45 ～ 96 μm)和W粉(純度≥99.9%，粒徑 45 ～ 96 μm)采取機(jī)械方式按 m(Mo)∶m(W) = 4∶1 混合?；w為 45CrNiMoVA 鋼(860 ～ 880 °C 淬火，420 ～ 440 °C回火)，主要含C 5.66%、Ni 1.33%、Cr 1.04%、Mo 6.14%、Mn 1.55%、Si 0.66%和Fe 84.02%，其力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度(Rm)1530 MPa，屈服強(qiáng)度(Re)1460 MPa，延伸率(A)13%，布氏硬度443 HBW，斷面收縮率(Z)47%。

1.2 涂層制備

噴涂前對(duì)基材進(jìn)行凈化和噴砂處理，直至其表面無反光后再用壓縮空氣將鑲嵌的砂粒吹掃干凈。經(jīng)課題組前期試驗(yàn)積累[12]，選取噴涂電流分別為300、350和400 A，所得試樣對(duì)應(yīng)標(biāo)記為1、2和3號(hào)。噴涂電壓130 V，氬氣為主氣(流量100 L/min)，氫氣作為輔氣(流量7.5 L/min)，送粉當(dāng)量7，噴涂距離90 mm，噴涂角度90°，噴槍移動(dòng)線速率40 m/min。噴涂層背面通壓縮空氣，保持基體溫度在200 °C以下，通過控制噴涂時(shí)間將涂層厚度限制在0.2 ～ 0.4 mm。

1.3 性能測(cè)試

采用D8 Advanced型X射線衍射儀(XRD)測(cè)定涂層的物相。采用Nova NanoSEM450/650場發(fā)射型超高分辨率掃描電鏡(SEM)觀察涂層表面、截面及摩擦表面的顯微形貌，用其配備的X-Max 80型X射線能譜儀(EDS)測(cè)定涂層內(nèi)各元素分布及質(zhì)量分?jǐn)?shù)。用 HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度，載荷100 g，加載時(shí)間10 s，在涂層表面均勻選取6個(gè)點(diǎn)測(cè)試后取其平均值，另測(cè)量了涂層截面的顯微硬度。采用CETR-3型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察涂層無潤滑條件下的耐磨性，對(duì)磨件為直徑3 mm的Si3N4稀土陶瓷球，采用高速線性往復(fù)式磨損形式，載荷15 N，頻率10 Hz。用Lext OLS型高精度三維形貌儀對(duì)涂層和基體在摩擦磨損試驗(yàn)中產(chǎn)生的磨痕進(jìn)行體積測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出磨損率，其中VΔ為磨損體積，F(xiàn)為載荷，S為滑動(dòng)行程。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的組織形貌

圖1顯示了Mo–W復(fù)合涂層表面及截面的微觀形貌。在3種電流下所制涂層的表面都比較粗糙，均存在熔融及半熔融顆粒。放大熔融區(qū)域后，發(fā)現(xiàn)2號(hào)涂層較為平整，離子扁平化搭接未出現(xiàn)微裂紋，完全熔融的顆粒經(jīng)扁平化撞擊后能夠流入顆粒間的空隙中，從而彌補(bǔ)微小裂紋。而1號(hào)和3號(hào)涂層表面出現(xiàn)明顯裂紋，且1號(hào)涂層中存在的半熔融顆粒最多，裂紋最明顯。這是因?yàn)橹苽?號(hào)涂層時(shí)的噴涂電流較小，粒子在加速過程中未能充分熔融，并且表層粒子未被后續(xù)熔融粒子完全包覆以及沒有受到有效撞擊，急速冷卻時(shí)完全熔融的金屬流不能填滿粒子間的空隙，所以涂層表面有許多微裂紋[13]。制備3號(hào)涂層時(shí)的噴涂電流過大，造成粉末粒子過燒，另外電流過大也使得噴涂系統(tǒng)功率過大，粉末粒子被加速過快，造成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致噴涂在基體上的涂層出現(xiàn)較多裂紋[14]。它們的截面形貌也證明了2號(hào)涂層的組織均勻致密，未出現(xiàn)較大孔隙或裂紋，而1號(hào)和3號(hào)涂層的孔隙數(shù)量與體積均大于前者。以上說明在350 A的電流下能噴出質(zhì)量較高的Mo–W復(fù)合涂層，電流過大或過小均會(huì)使涂層質(zhì)量下降。

圖2為不同噴涂電流下所得復(fù)合涂層的XRD譜圖，3種涂層均未發(fā)現(xiàn)存在氧化相。這是因?yàn)槌羲俚入x子噴涂采用氬氣和氫氣作為載氣，并且焰流速率可達(dá)1500 m/s，熔融的粉末粒子在飛行過程中很難接觸到氧氣，所以難以發(fā)生氧化。

2.2 涂層的顯微硬度

圖1 不同噴涂電流下所制Mo–W復(fù)合涂層的SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of the Mo–W composite coatings prepared at different spraying currents

圖2 不同噴涂電流下所制Mo–W復(fù)合涂層的XRD譜圖Figure 2 XRD patterns of the Mo–W composite coatings prepared at different spraying currents

圖3 不同噴涂電流下所制Mo–W復(fù)合涂層沿厚度方向的顯微硬度Figure 3 Microhardness of the Mo–W composite coatings prepared at different spraying currents along thickness direction

表1 不同噴涂電流下所制Mo–W復(fù)合涂層表面的顯微硬度Table 1 Surface microhardness of the Mo–W composite coatings prepared at different spraying currents (單位：HV0.1)

在3種涂層截面上由最靠近涂層的基體開始自下而上打點(diǎn)測(cè)顯微硬度，一直測(cè)至接近涂層表面，結(jié)果見圖3。可見靠近涂層表面位置的硬度較小，原因是表層受到后續(xù)熔融粒子的沖擊和熱作用越來越小，表層粒子相對(duì)疏松[15]。由表1列出的各涂層表面的顯微硬度可見，涂層的硬度均大于基體(235.3 HV0.1)，其中2號(hào)涂層上各點(diǎn)的顯微硬度以及平均顯微硬度均最高，這是由于其結(jié)構(gòu)致密，孔隙最少。

2.3 涂層的耐磨性能

在300、350以及400 A電流下制備的復(fù)合涂層與基體的磨損率分別 1.33 × 105、1.04 × 105、1.14 × 105和1.55 × 105m3/(N·m)，可見涂層的耐磨性均好于基體，其中2號(hào)涂層最耐磨。在摩擦磨損條件下，涂層和基體都會(huì)在摩擦表面產(chǎn)生一層薄薄的耐磨氧化膜[16]。以2號(hào)涂層為例，其磨損表面的EDS分析結(jié)果如圖4所示。氧元素的存在說明涂層與基體確實(shí)發(fā)生了氧化而生成氧化膜。無論是涂層還是基體，氧化膜的生成速率遠(yuǎn)低于磨損速率，摩擦磨損性能的優(yōu)劣主要依賴于兩者的表面硬度及組織結(jié)構(gòu)的致密程度[17]。2號(hào)涂層的結(jié)構(gòu)最為致密，表面硬度最高，因此在相同條件下最耐磨。

圖4 350 A噴涂電流下所制2號(hào)Mo–W復(fù)合涂層磨損表面的形貌和元素分析Figure 4 Morphology and element analysis of the worn surface of No.2 Mo–W composite coating prepared at a spraying current of 350 A

3 結(jié)論

(1) 采用高效能 HEP-Jet超音速等離子噴涂系統(tǒng)在 45CrNiMoVA鋼表面制備了質(zhì)量比為 4∶1的Mo–W復(fù)合涂層，其組織結(jié)構(gòu)均勻致密，氧化極少。

(2) 在其他噴涂參數(shù)相同的情況下，噴涂電流過大或者過小均導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)性能下降。噴涂電流為350 A時(shí)所制涂層的各項(xiàng)性能最優(yōu)。

(3) 涂層的顯微硬度和耐磨性比基體高，在摩擦過程中會(huì)發(fā)生氧化，在摩擦表面生成了耐磨氧化膜。

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[ 編輯：杜娟娟 ]

Properties of molybdenum–tungsten composite coatings prepared by supersonic plasma spraying at different currents

LIU Gui-min*, ZHU Shuo, YAN Tao, DU Lin-fei, ZHANG Xiao-hui

TJ012

A

1004 – 227X (2017) 18 – 1017 – 04

2017–03–06

2017–04–17

再制造技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C8502010C85）。

劉貴民（1971–），男，山東陽谷人，教授，博士生導(dǎo)師，從事材料失效及表面工程研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) liuguimin1971@sina.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.013