表面失效是零部件的主要失效形式， 在表面失效中，磨损失效占 60%～80%，其中磨料磨损造成的损失在磨损失效中占 50%[1]。 目前表面工程技术在提高零件表面性能方面得到越来越广泛的应用。 热喷涂技术作为一种新的表面防护和强化工艺得到了迅速的发展。 采用喷涂耐磨材料覆盖磨蚀表面，不仅可以恢复失效零件尺寸， 而且还可延长零件的使用寿命，具有重要的应用价值和较好的经济效益。近几年发展起来的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺具有比超音速火焰(HVOF)喷涂工艺具有更低的焰流温度和更高的喷涂焰流速度。AC-HVAF的特点是通过压缩空气与燃料燃烧产生的高速气流加热粉末， 但并未使之完全熔化，同时将喷涂粒子加速至 700m／s 以上， 撞击基体形成极低氧化物含量和极高致密度的涂层。 这种喷涂工艺对喷涂材料的热退化影响非常低， 制备的涂层表现出卓越的耐磨损及耐腐蚀特性； 此技术另一个突出特点是生产效率高，特别适合喷涂金属基 WC 材料(WC/Co 或C/Co/Cr)。 所有这些特点使 AC-HVAF 在很大程度上降低了涂层的加工成本， 更有利于超音速喷涂技术的推广应用。 目前 HVAF 技术在国外已经广泛应用于钢铁、石油化工、煤炭、水电、机械、航天和汽车等领域[2-5]。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
喷涂材料为 WC-10Co-4Cr粉末， 其 SEM 形貌如图 1(a)、(b)所示。 从图 1(a)可看出，粉末的颗粒尺寸为 10～38μm。 将单个大颗粒局部高倍放大，如图 1(b)所示。可以看出，这种喷涂粉末颗粒是由平均粒度为 0.8μm 的亚微米 WC 颗粒和粘接相 Co/Cr团聚而成。喷涂试样的基体材料为 16Mn 钢，磨粒磨损试验的对比试样的材料也是 16Mn 钢。
1.2 HVAF 试验
用 AcuKote 型 AC-HVAF 设备进行喷涂，用丙烷作燃料， 压缩空气作助燃气， 送粉载气采用氮气。 结合以往的喷涂经验， 优化后的喷涂工艺参数为：丙烷压力 0.46MPa，空气压力 0.6MPa，送粉率90 g/min，喷涂距离 200 mm。 喷涂前，对试样进行除锈、除油，然后用 240μm(60 目)的白刚玉砂进行粗化处理，涂层设计厚度为 0.4 mm，将待喷涂的试样在特制的夹具上一次装夹、喷涂。1.3 性能试验用线切割加工出 10mm×10mm×5mm 的带有涂层的试样， 在 SIEMENSD5000 型 X 射线衍射仪上对涂层进行相组成测试。拉伸试样尺寸为 准25mm×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℃下保温 3h。 采用计算机控制的 WDW-E200 万能电子拉伸试验机， 按照GBT8642-88 进行涂层的结合强度试验。
用线切割加工出 10mm×14mm×5mm 的带有涂层的试样， 经过镶嵌、 初磨和抛光， 然后用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，加载砝码 300g，保持时间 10s。
磨粒磨损试样尺寸为 56mm×25mm×5mm，采用国产湿砂橡胶轮 MLS-225 型磨粒磨损试验机，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 240r/min，加载载荷为 100N。用带有涂层的试样和不带涂层 16Mn 钢分别作对比，预磨 500 转，正式磨 3 轮，每轮磨 3000 转，共计500 转。 每次磨损后将试样洗净、烘干，用精度为0.1 mg 的 FA1004 型电子分析天平称量， 计算磨损质量损失。
2 实验结果及分析
2.1 物相分析
WC-10Co-4Cr 粉末及涂层的 X 射线衍射图见图 2。 通过对比可以发现，涂层中除了新增加衍射强度较弱的 Co3W3C 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-10Co-4Cr粉末时， 只有很少部分 WC 颗粒发生轻微的合金化。 另外，涂层中没有明显的 Co 和 Cr相的衍射峰，一方面是因为 Co 和 Cr在材料中的含量较少；另一方面是因为 X 衍射仪采用的铜靶对 Co 相和 Cr 相不敏感。
2.2 力学性能
2.2.1 结合强度
涂层拉断时的抗拉强度为 71.2MPa， 断裂均发生在胶接面。 可见实际的涂层的结合强度要高于这个值，说明该涂层具有较高的结合强度。 文献[6]采用 HVOF 工艺制备的 WC/Co 涂层的结合强度也在70 MPa 以上，文献[7]采用 HVAF 制备的 WC/Ni 涂层的结合强度也在 100MPa 以上， 可见采用高速火焰喷涂制备的金属基陶瓷涂层与基体具有很高的结合强度。 采用高强度胶粘接涂层测试涂层与基体的结合强度，最后实测的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。如果涂层与基体的结合强度较高时，采用这种方法很难准确地测出其实际的结合强度。
2.2.2 涂层显微硬度
WC-10Co-4Cr 涂 层 显 微 硬 度 的 平 均 值 为(1078.6±75.8) HV0.3， 相对于 16Mn 钢的显微硬度(156.2 HV)有很大的提高。
2.3 涂层截面的形貌
图 3(a)是涂层的结合界面 SEM 照片。 可以看出， 使用 HVAF 制备的 WC-10Co-4Cr 涂层孔隙率较低，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仅为 0.8%， 说明在喷涂过程中，喷涂粒子在到达基体时具有较高的动能和热焓值，对基体的撞击作用较强。涂层与基体之间结合紧密，这与结合强度试验的结果一致。另外，从涂层的高倍截面照片还可以看出，涂层中还存在直径在 1μm 以下的孔隙。
2.4 磨粒磨损试验
分别对 WC-10Co-4Cr 涂层和 16Mn 钢进行磨粒磨损试验， 16Mn 钢试样的磨损质量损失约为WC-10Co-4Cr 涂层试样的 266 倍。 经磨粒磨损 9500转后，涂层的表面形貌如图 4 所示。由涂层磨损区域低倍磨损形貌可以看出， 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)，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 A 的WC 粒子)，有些 WC 粒子脱离粘结相(如标记为 B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 C 的区域)。 通过这些典型的形貌并结合相关文献[8-9]，可以推断出 WC-10Co-4Cr 涂层的微观磨粒磨损基理如下：在磨损过程中，首先是涂层中的粘结相 Co 被切削和挤压， 随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 粒子开始与粘结相发生剥离，最后脱离粘结相。 在磨损过程中， 由于涂层中的大量的高硬度的 WC 颗粒有效地阻碍了外界磨粒对涂层的切削作用，同时也使磨粒在相互作用的。
3 结论
(1) 采用 HVAF 工艺成功制备了组织均匀 、致密的 WC-10Co-4Cr 涂层， 在喷涂过程中仅少量的WC 发生了轻微的合金化现象。
(2) HVAF 制备的 WC-10Co-4Cr 涂层力学性能优异， 结合强度在 71.2 MPa 以上， 平均显微硬度(1078.6±75.8)HV0.3，气孔率 0.8%，相对于 16Mn 钢，WC-10Co-4Cr 涂层具有十分优良的抗磨粒磨损性能。
参考文献略
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