HVAF和HVOF制備的WC-10Co-4Cr涂層性能研究

陳煥濤，譚 僖，朱暉朝，張忠誠，黃 健，張小鋒

廣東省新材料研究所， 現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州510650

隨著新能源技術(shù)的推廣應(yīng)用，鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速.新一代鋰電池生產(chǎn)裝備主要通過提高軋輥軋制力來增加極片壓實密度，從而達到增加電池極片單位儲電量的目的.然而，軋制力的提高使得軋輥表面磨損加劇，過度的磨損將使得生產(chǎn)的極片出現(xiàn)厚度不均勻、壓實不均勻，從而影響電池的一致性，所以電極軋輥的耐磨性是影響鋰離子電池質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素.

WC-10Co-4Cr涂層具高硬度、高結(jié)合強度、低孔隙率、優(yōu)異的耐磨損性能等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、農(nóng)業(yè)機械、電力等領(lǐng)域的大型裝備的關(guān)鍵部件，作為耐磨涂層使用[1].通過對比High velocity air fuel (HVAF)和High velocity oxyfuel spraying (HVOF)噴涂工藝，研究了不同工藝對WC-10Co-4Cr涂層性能及組織的影響，同時探索了影響WC-10Co-4Cr涂層耐磨性的關(guān)鍵因素，以確立合適的噴涂工藝.

1 試驗部分

1.1 試 樣

實驗選用的粉末為WC-10Co-4Cr粉末，基體為45號鋼.WC-10Co-4Cr粉末的化學(xué)成分及粒徑分布分別列于表1和表2.

表1 WC-10Co-4Cr粉末的化學(xué)成分

表2 WC-10Co-4Cr粒徑分布

1.2 試驗方法

采用HVAF及HVOF噴涂工藝，分別進行杯突試驗、彎曲試驗、涂層結(jié)合強度試驗、涂層顯微硬度試驗及涂層的耐磨性的試驗.HVAF及HVOF噴涂工藝參數(shù)分別列于表3和表4.

表3 HVOF噴涂的工藝參數(shù)

表4 HVAF噴涂的工藝參數(shù)

杯突試驗：采用杯突試驗的方法，評判涂層隨基體的變形能力.杯突試樣的規(guī)格為76 mm×44 mm×1.3 mm，在GP-TS2000M萬能試驗機上用直徑20鋼球從涂層背面杯罩的中心壓入杯高10 mm，壓杯速度為10 mm/min.

涂層的微觀組織形貌及顯微硬度：試樣規(guī)格為10 mm×5 mm×3.65 mm，用DMIRM徠卡顯微鏡分析涂層界面結(jié)合、孔隙率、涂層分布等微觀組織結(jié)構(gòu)，用MH-5D顯微硬度計測量涂層維氏顯微硬度，載荷300 g、加載時間15 s.

涂層結(jié)合強度試驗：試樣規(guī)格為直徑25.4 mm×38 mm，噴涂涂層厚度0.23 mm，用E-7高溫結(jié)構(gòu)膠把涂層和對偶件粘結(jié)起來，并在烘干箱溫度100 ℃固化3 h，用GP-TS2000M萬能試驗機測試結(jié)合強度測試，加載速度為1 mm/min，分析涂層與基體結(jié)合性能.

彎曲試驗：彎曲試樣規(guī)格為76 mm×25 mm×1.3 mm，在GP-TS2000M萬能試驗機上用直徑12.7 mm的棒朝涂層反面彎曲90 °，分析涂層彎曲涂層剝落狀態(tài).

涂層的耐磨性的試驗：耐磨試樣的規(guī)格為76 mm×25 mm×3.65 mm，采用180號砂紙，在載荷30 N下與涂層摩檫磨損，分析涂層質(zhì)量損失和磨損形貌.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌及結(jié)合強度

用LEICA 5000DMIRM大型倒置式金相顯微鏡觀察涂層微觀形貌，圖1為HVOF和HVAF工藝制備的涂層微觀形貌.從圖1(e)和(f)可見，HVOF和HVAF兩種工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層分布均勻、沒有界面污染、界面結(jié)合較好.從圖1(h)和(i)可見：HVOF工藝噴涂制備的WC-10Co-4Cr涂層分布點狀細(xì)小的微孔，孔隙率在0.8%～0.9%；而HVAF工藝噴涂的WC-10Co-4Cr涂層有少量的微孔，孔隙率在0.2%～0.4%.因此，HVAF工藝噴涂的WC-10Co-4Cr涂層比HVOF工藝的更加致密.

WC-10Co-4Cr涂層的結(jié)合強度測試結(jié)果列于表5.從表5測試結(jié)果分析可以得知，HVAF制備的WC-10Co-4Cr涂層結(jié)合強度略優(yōu)于HVOF制備的WC-10Co-4Cr涂層，且兩種工藝的WC-10Co-4Cr涂層結(jié)合強度均超過70 MPa.

表5 WC-10Co-4Cr涂層的結(jié)合強度

2.2 杯突試驗

圖2為涂層杯突測試結(jié)果.從圖2可以觀察到，經(jīng)杯突試驗后，兩種噴涂工藝制備的涂層都形成了毛細(xì)裂紋和龜裂紋，涂層沒有產(chǎn)生剝落，但是HVOF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層片狀翹起較多.所以表明，HVAF工藝所制備的WC-10Co-4Cr涂層的杯突性能稍好，發(fā)生翹起時HVOF工藝制備的涂層會先于HVAF工藝的形成剝離態(tài)的片狀涂層，表明HVAF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層比HVOF工藝的隨基體變形能力強[2].

圖2 涂層杯突測試結(jié)果(a)HVAF；(b)HVOFFig.2 Cup test results

2.3 彎曲試驗

圖3為彎曲試驗結(jié)果.從圖3可以發(fā)現(xiàn)，二種工藝制備的涂層均有毛細(xì)裂紋，但涂層均沒有產(chǎn)生剝離.表明，HVOF和HVAF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的抗彎曲性能接近，反映出涂層彎折韌性較好.

2.4 涂層的顯微硬度

對所制備的涂層進行維氏顯微硬度測試，其結(jié)果列于表6.由表6可知，HVAF工藝比HVOF工藝制備的WC涂層的顯微硬度高，兩種工藝制備涂層的顯微硬度值穩(wěn)定在1000～1400之間.這主要是涂層微觀組織的致密性影響了涂層的顯微硬度.

圖3 彎曲試驗結(jié)果(c)HVOF；(d)HVAFFig.3 Bend Test results

表6 涂層維氏顯微硬度值

2.5 涂層的耐磨性

圖4為WC-10Co-4Cr輪式摩擦磨損試驗質(zhì)量損失量圖.從圖4的涂層質(zhì)量損失比分析可得知，HVAF工藝的涂層損失量在2～4 mg，HVOF工藝的損失量在4～7 mg.HVOF工藝噴涂的WC-10Co-4Cr涂層的損失量大于HVAF工藝的，主要是因為HVAF涂層的微觀組織更致密些，使得涂層的硬度高并耐磨損.

圖5為摩擦磨損試驗WC-10Co-4Cr涂層的表面形貌.從圖5可以發(fā)現(xiàn)，WC-10Co-4Cr涂層表面的磨損磨痕是以犁溝的形式為主.這主要是有顆粒在涂層表面往復(fù)運動形成了凹坑，產(chǎn)生磨損粒子，造成犁溝，所以涂層的磨損模式是磨粒磨損[3].出現(xiàn)顆粒狀的粒子主要是粉末噴涂態(tài)在撞擊基體時，未充分熔融的粒子夾雜在長條狀層狀組織里面，當(dāng)發(fā)生磨損有外力拉拽涂層中粒子時，就會發(fā)生微小粒子剝落.WC-10Co-4Cr涂層的耐磨性主要是粉末本身含有WC硬質(zhì)相[4]，從而得出粉末粒子充分融化鋪展是影響涂層耐磨性的主要原因之一.

圖5 摩擦磨損試驗WC-10Co-4Cr涂層的表面形貌(j)HVOF；(k)HVAFFig.5 Surface morphology of WC-10Co-4Cr coating in friction and wear test

3 結(jié) 論

(1)涂層經(jīng)彎曲試驗和杯突試驗后，出現(xiàn)細(xì)長的毛細(xì)裂紋；HVOF噴涂工藝比HVAF噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的杯突性能稍差，HVOF噴涂工藝與HVAF噴涂工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的折彎性能相近.

(2)HVAF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的顯微硬度高于HVOF工藝的，兩種涂層顯微硬度HV0.3值整體均在1000～1400之間.

(3)HVAF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層比HVOF工藝得更致密，也是HVAF工藝制備的涂層的顯微硬度值比HVOF工藝高的原因之一.

(4)HVAF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的結(jié)合強度比HVOF工藝的稍高些，兩種工藝制備的涂層的結(jié)合強度均超過70 MPa.

(5) HVAF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層耐磨性比HVOF工藝的更好，主要是因為HVAF工藝的熔融的更充分，WC-10Co-4Cr涂層更致密，顯微硬度更高.

(6)HVAF工藝及HVOF工藝制備的WC-10Co-4Cr涂層的磨損模式主要是犁溝式的磨粒磨損.