超音速火焰喷涂制备WC-12Co涂层实验

ＨＶ－８０超音速火焰喷涂制备ＷＣ－１２Ｃｏ涂层实验

１． 实验材料及方法　１．１实验材料　喷涂材料我们选择章源钨业生产的ＷＣ－１２Ｃｏ粉末，其中ＷＣ颗粒分布呈多峰分布（颗粒平均尺寸为０．２μｍ占３０ｗｔ．％，颗粒平均尺寸为２．４μｍ占７０ｗｔ．％），粉末的颗粒尺寸为１５～４５μｍ。粉末的表面和截面形貌如图１所示，可以看出，粉末的球形度较好，单个喷涂粉粒子内的孔隙较均匀。喷涂试样的基体材料为１６Ｍｎ钢，磨粒磨损对比试样的材料也是１６Ｍｎ钢。　

图１　多峰ＷＣ－１２Ｃｏ粉末的形貌　

１．２涂层制备　采用郑州立佳的ＨＶ－８０型ＨＶＯＦ设备进行喷涂，使用航空煤油作为燃料，氧气作为助燃气，送粉载气采用氮气。结合以往喷涂经验，选择四因素三水平Ｌ９（３４）喷涂工艺参数如表１所示。　表１　ＨＶＯＦ制备ＷＣ－１２ｃｏ涂层的工艺参数　 Ｆａｃｔｏｒ　Ｌｅｖｅｌ　Ｋｅｒｏｓｅｎｅ　Ｆｌｕｘ　（Ｌ／ｈ）　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｆｌｕｘ　（ｍ３／ｈ）　Ｆｅｅｄ　Ｒａｔｅ　（ｇ／ｍｉｎ）　Ｓｐｒａｙｉｎｇ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　（ｍｍ）　Ｌｅｖｅｌ　１　２２．７１　５０．９７　６０　３２６　Ｌｅｖｅｌ　２　２４．６　５５．２２　７５　３５３　Ｌｅｖｅｌ　３　２６．５　５９．４７　９０　３８０　

喷涂前，对试样进行除锈、除油、然后采用２４０μｍ（６０目）白刚玉砂进行粗化处理，将待喷涂的试样在特制的风冷夹具上装夹、喷涂，为了使基体温度低于２００°Ｃ，没喷涂８道次停枪一次，直至涂层厚度达到３００～３５０μｍ。　

１．３相结构测试　　用线切割加工出尺寸为１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ的带有涂层的试样，在ＳＩＥＭＥＮＳＤ　５０００型Ｘ射线衍射仪上对涂层进行相结构测试，阳极靶为Ｃｕ　靶，扫描角度从１０～９０°（本文中取３０～８５°，），管压３５ＫＶ，管流３０ｍＡ，积分时间０．２秒，采样间隔０．０２秒。　１．４孔隙率测试　使用ＩＱｍａｔｅｒｉａｌ图像分析软件，依次导入涂层截面典型金相照片，采用灰度法测试孔隙所占视场的面积百分比，将测试的１０个视场孔隙百分比的平均值作为涂层的孔隙率。　

１．５　结合强度测试　拉伸试样尺寸为φ２５×３０ｍｍ，试样结合面采用Ｅ－７胶粘接后，固定在特制的夹具上，并一起放入电热干燥箱中，在１００°Ｃ下保温３小时。采用计算机控制的ＷＤＷ－Ｅ２００万能电子拉伸试验机，按照ＧＢＴ８６４２－８８标准进行涂层的结合强度试验。　

１．６显微硬度测试　用线切割佳通出尺寸为１０ｍｍ×１４ｍｍ×５ｍｍ的带有涂层的试样，经过镶嵌，初磨和抛光，然后用Ｗｉｌｓｏｎ　Ｗｏｌｐｅｒｔ　４０１ＭＶＡ　型显微硬度计测试涂层截面上由内向外不同的１０个点的显微硬度，实验载荷分别为３００ｇ和１０００ｇ，压力保持时间为１０ｓ。　　

１．７开裂韧性测试　将带有涂层的试样镶嵌，打磨并且抛光，用小负荷维式硬度计，将硬度计的载荷调整到１０ｋｇ（一般来说，测试开裂韧性采用５ｋｇ的载荷，由于多峰涂层具有较高的开裂韧性，涂层截面采用５ｋｇ测试时，裂纹长度很短，所以采用１０ｋｇ的载荷测试。）在涂层截面的中间每隔一定距离打一个压痕对角线平行于涂层表面的压痕。在光学显微镜下测量压痕对角线长度的一半ａ和压痕裂纹长度ｃ。根据Ｗｉｌｓｈａｗ公式：　

其中：P：载荷（N），a:压痕的对角线长度的一半（μm），c:压痕中心至裂纹末端的距离（μm）。

１．８磨粒磨损实验　

磨粒磨损试样尺寸为５６ｍｍ＊２５ｍｍ＊５ｍｍ，采用国产湿砂橡胶轮ＭＬＳ－２２５型磨粒磨损实验

机，磨料采用２０－４０目石英砂１５００ｇ和１０００ｇ水混合而成，橡胶轮的转速为２４０ｒｐｍ，加载载荷为１００Ｎ。用带有涂层的试样和不带涂层１６Ｍｎ分别作对比实验，预磨５００转，正式磨３轮，每轮磨３０００转，共计９５００转。将每次磨损后试样洗净，烘干后用精度为０．１ｍｇ的ＦＡ１００４型电子分析天平称量，以计算出磨损失重。

２． 实验结果及分析　２．１物相分析　ＷＣ－１２Ｃｏ粉末及涂层的Ｘ射线衍射图如图２所示，通过对比可以发现，涂层中除了新增了衍射强度较弱的Ｗ２Ｃ相外，其余的相与原始粉末的物相基本一致，这说明用超音速方法喷涂ＷＣ－１２Ｃｏ粉末时，只有很少部分ＷＣ颗粒发生轻微的脱碳现象，另一方面也说明选定的四种喷涂工艺参数的变化对涂层相结构影响不大。

图2 WC-12Co粉末和涂层XRD衍射图谱 ２．２涂层截面形貌和孔隙率　WC-12Co涂层截面金相照片如图3所示

（a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i） 图3 涂层截面金相组织九个试样涂层 九种涂层表面的粗糙度类似，九种WC-12Co涂层孔隙率都较低，结构致密，涂层无明显层状结构，采用灰度法测量涂层孔隙率均在0.5%以下。这说明在喷涂过程中，喷涂粒子在达到基体时具有很高的动能，对基体的撞击作用强，涂层与基体之间结合紧密，这与结合强度实验的结果是一致的。

２．３涂层结合强度 涂层拉断时，断裂面均是胶接面（拉断时值大多在65Mpa左右），可见实际的涂层的结合强度要高于这个值，说明涂层具有很好的结合强度。采用高强度胶粘接涂层，测试抗拉强度，最后实测结果与很多因素有关，如涂层和对接试样的表面粗糙度，粘接和固化的工艺以及拉伸条件等。超音速火焰制备的WC/Co涂层与基体的结合强度高，再加上涂层的表面较为光滑，采用这种方法很难准确的测出其实际的结合强度。　

２．４涂层显微硬度分析　喷涂工艺四因素三水平正交表及对应的涂层硬度如表２所示。　表２　正交实验目标分析结果（显微硬度）　

　喷涂工艺参数对涂层硬度影响的因素按从大到小排列的顺序（按极差植进行比较）：煤油流量（１２５）＞送粉率（３２．３）＞喷涂距离（１８．７）＞氧气流量（１５．７）。从总体上看，煤油流量变化对涂层的硬度影响最大，要改变涂层硬度时，调节煤油流量是最直接有效的办法，当然其他三个参数要根据煤油流量作适当调整。　四种喷涂工艺因素（煤油流量、氧气流量、送粉率和喷涂距离）在低、中、高三种水平作用下，多峰ＷＣ－１２Ｃｏ涂层硬度变化的趋势如图４所示。　

图４　正交实验参数与涂层硬度关系图　

由图４可以看出，硬度最高的涂层喷涂工艺参数是煤油流量：２６．５Ｌ／ｈ，氧气流量：５５．２２ｍ３／ｈ，喷涂距离：３２６ｍｍ，送粉率：７５ｇ／ｍｉｎ。　

２．５涂层开裂韧性与硬度之间的关系 涂层的开裂韧性与硬度之间的关系如图５所示。　

　图５　涂层开裂韧性与硬度之间的关系　由图５可以看出，涂层的开裂韧性与硬度基本上成反比，即涂层的硬度越高，相应的涂层脆性也越大。　

２．６涂层磨损失重与硬度之间的关系 九种试样每3000转的平均磨损失重如图6所示，可以看出，涂层的显微硬度与磨损失重成反比，即涂层的硬度越高，其抗磨粒磨损性能越好。另外，在同样的试验工况下，16Mn钢磨损失重是这九组多峰WC-12Co涂层的158～186倍。

图6 涂层硬度与磨损失重之间的关系 图7 涂层磨损区域表面形貌 经磨粒磨损9500转涂层的表面形貌如图7所示。由涂层磨损区域低倍磨损形貌如图7（a）所示，可以看出涂层被磨损的涂层表面较平整，没有明显的犁沟和大的凹坑。由涂层磨损区域高倍磨损形貌如图7（b）所示，可以看出，WC粒子周围的粘结相表面有较明显的划痕（即较浅的犁沟，标记为“1”），这些犁沟在遇到WC粒子时终止。有些WC粒子与周围的粘结相开始发生剥离（如标记为“2”的WC粒子），有些WC粒子脱离粘结相（如标记为“3”的区域），还有些WC粒子开始出现裂纹即将发生破裂（如标记为“4”的区域）。通过这些典型的形貌并结合相关文献，可以推断多峰WC/Co涂层的微观磨粒磨损基理与普通WC/Co涂层有相似的地方，即在磨损过程中，首先是涂层中的粘结相Co被切削和挤压，随着磨损过程的不断进行，粘结相被切除掉，突出的WC粒子在磨粒的撞击和滚压的反复作用下发生疲劳破碎。随着磨损的持续，WC粒子开始与粘接相发生剥离，最后脱离粘结相。但是，从图7的磨损形貌来看，多峰涂层的磨损表面相对比较平整，表现出明显的均匀的磨耗磨损的形式，这是由于多峰涂层特有的WC粒子的粒度分布决定的。在多峰涂层中的粗、细搭配的WC粒子的紧凑排列，减小了涂层中Co粘接剂的名义自由路径（使得粘结相分布的更加均匀），有效的减轻了外界大颗粒磨粒（SiO2）对涂层中粘结相的切削作用，同时也使磨粒与WC在相互作用过程中也发生破碎和棱角变钝现象（SiO2磨粒的硬度高于Co基体而低于WC粒子），进一步降低了磨粒对涂层的切削作用。这样在磨粒磨损的过程中相对于其他微米WC/Co涂层，均匀的磨耗磨损的形式是多峰WC/Co涂层的主要磨损形式，所以，WC-12Co涂层在磨损过程中失重很小。

３． 结论　（1）通过正交实验确定了具有最高硬度WC-12Co涂层的喷涂工艺参数是煤油流量：２６．５Ｌ／ｈ，氧气流量：５５．２２ｍ３／ｈ，喷涂距离：３２６ｍｍ，送粉率：７５ｇ／ｍｉｎ，其中煤油流量对涂层的硬度影响最大。　（２）ＷＣ－１２Ｃｏ涂层结构非常致密，硬度高（1300 HV1左右），孔隙率在０．５％以下，并且涂层与基体的结合强度高，达到了涂层具有高耐磨性，高硬度的要求。　（３）涂层的磨损失重和开裂韧性都与涂层的硬度成反比，所以，提高涂层的硬度能提高其抗磨粒磨损的性能，但是涂层的开裂韧性会下降，即涂层的脆性会变大。相对于１６Ｍｎ钢，多峰涂层具有优异的抗磨粒磨损性能，其主要的磨粒磨损形式为均匀的磨耗磨损。