超高強(qiáng)度鋼表面HVOF金屬陶瓷涂層制備與表征綜合實(shí)驗(yàn)

郭智興，高林耿，李深厚，熊 計(jì)，鮮 廣

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

超高強(qiáng)度鋼具有超高的強(qiáng)度、韌性及良好的抗疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕性能[1-2]，用于制造飛機(jī)起落架、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)軸和渦輪軸、導(dǎo)彈殼體、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等關(guān)鍵大型承力結(jié)構(gòu)件，在航空航天工業(yè)中具有舉足輕重的作用[3-4]。由于這些構(gòu)件在服役過程中要承受嚴(yán)重的磨損和腐蝕，為提高其服役可靠性，目前普遍采用電鍍鉻/鎘方式來提高其表面硬度和耐磨耐蝕性能[5]。但是，電鍍過程中使用的強(qiáng)酸會(huì)使鋼滲氫而產(chǎn)生氫脆風(fēng)險(xiǎn)，且電鍍廢液中的 Cr6+、Cd2+離子對(duì)環(huán)境和人體健康均十分有害[6]。采用既環(huán)保安全又能滿足使用性能要求的表面處理技術(shù)來代替電鍍鉻/鎘是目前的發(fā)展趨勢。

超音速火焰噴涂（HVOF）可用于制備金屬陶瓷、陶瓷、合金等涂層，具有適當(dāng)?shù)臒釃娡繙囟群蜆O高的噴涂速度，制備的涂層致密，硬度和結(jié)合強(qiáng)度高[7]，波音公司已經(jīng)開始允許在制造和維修767和777機(jī)型起落架時(shí)，采用HVOF噴涂WC基涂層代替電鍍鉻[8]。必須指出的是，除了HVOF工藝參數(shù)外，噴涂涂層成分對(duì)其微觀組織和性能有著非常重要的影響[9]。

為了讓學(xué)生深入了解并掌握超高強(qiáng)度鋼表面HVOF涂層改性技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的能力和習(xí)慣[10-11]，本文基于科研實(shí)踐設(shè)計(jì)了研究超高強(qiáng)度鋼表面HVOF金屬陶瓷涂層制備與表征的綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括利用 HVOF制備WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr等 3種不同成分的金屬陶瓷涂層，對(duì)比研究金屬陶瓷涂層成分對(duì)涂層的微觀組織、涂層硬度、涂層孔隙度、涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度及涂層摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

制備 WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr噴涂粉末時(shí)，以WC粉末（費(fèi)氏粒度2.4 μm）、Cr3C2粉末（費(fèi)氏粒度2.5 μm）、Co粉、Ni粉、Cr粉等為原料。將各種原料粉末按成分配比進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，經(jīng)過在酒精中濕磨、氮?dú)鈿夥障聡婌F干燥、真空固相燒結(jié)和破碎過篩后，得到粒度15～45 μm的球形粉末。

采用超音速熱噴涂 JP-5000系統(tǒng)制備 WC-10CoCr、WC-17Co和 Cr3C2-25NiCr涂層。噴涂前先對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼基體進(jìn)行噴砂處理。JP-5000系統(tǒng)采用的燃料為航空煤油（流量為22.7～24 L/min），氧氣為助燃劑（流量920 SL/min），氬氣為送粉載氣（流量3.7～3.9 SL/min），燃燒室壓力為0.75 MPa，噴涂距離為350 mm。

采用激光粒度儀檢測粉末粒度，采用光學(xué)顯微鏡觀察涂層截面形貌，利用 Image-Pro軟件對(duì)涂層截面的孔隙率進(jìn)行測量，采用維氏硬度計(jì)檢測涂層硬度，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)根據(jù)GB/T 8642—2002檢測涂層結(jié)合強(qiáng)度，最后進(jìn)行球盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)（Al2O3球形壓頭半徑為4.99 mm，壓頭線速度為24.93 cm/s，磨損時(shí)間4000 s，磨損距離為 1000 m），并采用 EVO-18型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)噴涂粉末和涂層磨損表面進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 HVOF噴涂用球形粉末表征

圖 1是 WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr熱噴涂球形粉末的微觀形貌。WC-17Co粉末顆粒的球形度較高，球形顆粒的數(shù)量較多，但顆粒表面粗糙多孔，有一定的粒度范圍。WC-10Co-4Cr粉末比 WC-17Co粉末顆粒球形度更高，球形顆粒的比例也更高，粒度分布更窄，表面仍呈現(xiàn)粗糙多孔狀態(tài)。Cr3C2-25NiCr粉末顆粒的球形度和球形粉末比例低于WC-10Co4Cr粉末，但高于WC-17Co粉末，表面無明顯孔洞，粗糙度與孔洞數(shù)目較WC基金屬陶瓷粉末低，呈現(xiàn)出較致密的狀態(tài)。激光粒度檢測結(jié)果表明，3種熱噴涂粉末粒度范圍基本在15～45 μm范圍內(nèi)，且30 μm左右的粉末粒子最多?？傮w上看，3種粉末的球形度都較好，粒徑分布均勻，適合進(jìn)行超音速火焰噴涂。

圖1 熱噴涂球形粉末微觀形貌

2.2 金屬陶瓷涂層微觀組織與性能

圖2 金屬陶瓷涂層截面微觀組織

圖 2是 WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr金屬陶瓷涂層的截面微觀組織。圖中上部為金屬陶瓷涂層，下部為300M鋼基體；黑色的小點(diǎn)為HVOF噴涂時(shí)形成的孔隙，深灰色的區(qū)域?yàn)閃C或Cr3C2硬質(zhì)相，淺灰色的區(qū)域?yàn)檎辰Y(jié)相。3種涂層組織致密、均勻，無明顯分層等缺陷，涂層與基體的結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合，界面結(jié)合良好。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)檢測結(jié)合強(qiáng)度，3種涂層的結(jié)合強(qiáng)度都在80 MPa以上（見表1）。WC-17Co涂層的孔隙最少，這與其粘結(jié)相含量高有關(guān)。雖然Cr3C2-25NiCr涂層的粘結(jié)相含量最高，但涂層中的孔隙較WC-17Co涂層和WC-10Co4Cr涂層多，這是由于Cr3C2粒子比重遠(yuǎn)低于WC粒子，噴涂過程中粒子獲得的動(dòng)能較小，造成涂層中孔隙相對(duì)更多。

表1 涂層的孔隙度、結(jié)合強(qiáng)度與硬度

采用 Image-Pro軟件對(duì)涂層進(jìn)行孔隙度分析的結(jié)果見表 1[12-13]。WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr金屬陶瓷涂層的孔隙度依次升高，這與圖2中的涂層界面微觀組織形貌一致。涂層硬度受涂層材料本身性質(zhì)、粘結(jié)相含量、孔隙率等影響。Cr3C2-25NiCr涂層中 Cr3C2的硬度低于 WC，孔隙度最大，粘結(jié)相含量最高，其硬度比兩種WC基金屬陶瓷涂層明顯更低。相對(duì)于300M鋼基體與傳統(tǒng)的電鍍鉻涂層，HVOF制備的3種金屬陶瓷的硬度均更高。

2.3 金屬陶瓷涂層摩擦磨損性能

圖 3是 WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr金屬陶瓷涂層的摩擦磨損形貌。WC-17Co涂層與WC-10Co-4Cr涂層磨損后的表面形貌相似，均有較細(xì)微劃痕或小犁溝，涂層出現(xiàn)剝落，剝落的涂層所形成的粘著粒子會(huì)導(dǎo)致粘著磨損和磨粒磨損加劇。Cr3C2-25NiCr涂層在磨損后出現(xiàn)了小劃痕，但未出現(xiàn)剝落、粘著粒子、裂紋等缺陷，表面十分光滑[14]。從圖4中的摩擦系數(shù)變化曲線也可看出，金屬陶瓷涂層經(jīng)過短暫磨合后即進(jìn)入穩(wěn)定期，Cr3C2-25NiCr涂層的摩擦系數(shù)顯著更低，表現(xiàn)出比WC基金屬陶瓷更為優(yōu)異的摩擦磨損性能。

圖3 金屬陶瓷涂層摩擦磨損形貌

圖4 屬陶瓷涂層摩擦系數(shù)與時(shí)間關(guān)系圖

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)采用HVOF技術(shù)在超高強(qiáng)度鋼表面制備了WC-17Co、WC-10Co-4Cr、Cr3C2-25NiCr等 3種不同成分的金屬陶瓷涂層，研究了涂層成分對(duì)顯微組織、孔隙度、硬度、結(jié)合強(qiáng)度和摩擦磨損性能的影響。本實(shí)驗(yàn)將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研熱情，為今后獨(dú)立從事科研工作打基礎(chǔ)[15]。實(shí)驗(yàn)中需要使用球磨機(jī)、燒結(jié)爐、HVOF等材料制備設(shè)備，并利用OM、SEM、萬能材料試驗(yàn)機(jī)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、圖像處理軟件等對(duì)涂層組織與性能進(jìn)行表征，可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用知識(shí)解決科學(xué)和工程問題的能力。