超音速火焰喷涂 CoCrW 耐磨涂层的性能研究
张淑婷，马尧，王辉，万伟伟
热 喷 涂 技 术2010 年 9 月
摘 要：本文针对自产 Co25Cr10Ni8W 合金粉末，采用 HVOF 工艺制备了 CoCrW 涂层，研究了氧气流量、煤油流量、喷涂距离对 CoCrW 涂层性能的影响，确定了制备 CoCrW 涂层主要的喷涂参数为：喷距 340mm；O2 流量 24L/m3；煤油流量 900 L/h。对制备的涂层进行了性能检测，涂层结合强度达到54.08 Mpa； HR15N 为 83.5；孔隙率为 0.6%。
关键词：HVOF；CoCrW；喷涂距离；流量；热喷涂
CoCrW 粉末是一种含 Cr、W 等元素的 Co 基合金粉末， CoCrW 有突出的耐气蚀、耐擦伤和抗剥落性能，且具有良好的抗冲击和耐震动性能及抗粘着磨损和磨粒磨损性，高温性能好，并耐氧化，主要适用于擦伤、剥落和磨损的工作环境，用于高温下工作的心轴、锻造工具、热轧辊、涡轮机密封件和密封阀、内燃机排气阀及阀座等的喷焊或喷涂[1-2]。
在所有的喷涂技术中，超音速火焰喷涂(HVOF)是近年来发展较快、专门用于制备耐磨涂层的最有发展前景的热喷涂工艺之一[3]。HVOF 制备涂层的性能和微结构主要取决于喷涂过程中粒子的温度及撞击到基体表面的速度，而这些因素又主要取决于喷涂工艺参数如燃气/氧比例，喷涂距离、送粉量以及工件转速、喷枪移动速度等[4-5]，本文针对自产超细粒度、低氧含量的 CoCrW 粉末，采用 XRD分析粉末的物相；采用 SEM 分析粉末及涂层的微观结构，通过研究 HVOF 喷涂工艺参数对 CoCrW涂层性能的影响，确定并优化了涂层制备工艺，获得了性能和结构良好的涂层。
1 试验方法与过程
1.1 试验用粉末
试验采用自产超细粒度、低氧含量的CoCrW粉末，具体化学成分为 Co25Cr10Ni8W，物理性能为：松装密度≥4.0 g/cm3；流动性≤25 s/50g；粒度-45μm≥99%，-53～+45μm≤1%。
粉末的 XRD 分析结果如图 1 所示，表明相对于 Co 的标准图谱，XRD 衍射图中的峰位略向左侧偏移，即衍射角变小而晶格变大，表明 Co 中固溶有原子半径较大的元素，即为元素 W 固溶的结果，XRD 结果及 SEM 照片表明各元素已进行充分的合金化，粉末成分及结构均匀。粉末的 SEM 照片如图 2 所示，粉末的球形度好，表面光洁。
试验采用 GTV-K2 超音速火焰喷涂设备，试验基体材料为 45 号钢，涂层厚度为 0.35～0.4mm。采用 GB/T1818-1994 检测涂层的表面洛氏硬度(HR15N)，结合强度参照 GB8642－88 的对偶试样拉伸法，在 WDW-100A 型试验机上进行，孔隙率采用图像分析软件进行测算。
1.2 试验方案
影响涂层性能的喷涂参数有很多，对于超音速火焰喷涂而言主要有燃气、氧气流量、喷涂距离、送粉量以及工件转速、喷枪移动速度等，在众多的影响因素中，燃气及氧气流量、喷涂距离是最重要的工艺参数，为了确定合适的喷涂工艺，设计如表1 所示的试验方案，其他喷涂参数为：搅拌功率，60%；气流，7.0L/min；送粉速度，1.8r/m。
2 试验结果与讨论
2.1 喷涂距离对涂层性能的影响
针对试验 1#、2#、3#方案，研究不同喷涂距离对涂层结合强度及微观结构的影响分别如图 3、图4 所示。由图 3 可以看出当喷距为 320mm 时涂层中层与层之间界线明显，界面处有微小孔洞，从图 4可以看出涂层的结合强度也较低，这主要是由于在喷涂过程当中，喷涂距离过近会因粉末加热不良在涂层中撞击变形不充分从而影响结合强度，还会使零件基体升温过高，造成热变形[6]，且当粉末颗粒接触到基体的瞬间，二者间易形成较大的温度梯度，从而引起结构上出现分层[7-8]；而当喷涂距离为340mm 时涂层的结构致密、均匀，结合强度较高；当喷涂距离继续增加为 360mm 时涂层中出现较多的孔洞，这主要时因为喷涂距离过远则降低飞行粒子的动能，进而降低涂层的结合强度。
2.2 氧气/煤油流量对涂层性能的影响
氧气及煤油流量是影响粉末颗粒熔化状态的最重要因素，而颗粒的熔化状态直接影响涂层的性能[9]，针对试验 4#、5#、6#方案，不同氧气、煤油流量对涂层熔化状态及微观结构的影响分别如图 5所示,其中图 5（a）喷涂参数为：O2流量 24L/m，煤油流量 900 L/h，喷距 340mm；图 5（b）喷涂参数为：O2流量 22L/m，煤油流量 900 L/h，喷距340mm；图 5（c）喷涂参数为：O2流量 24L/m，煤油流量 950 L/h，喷距：340mm。从图 5（a）、5（b）可以看出，当氧气流量由 22L/m 时涂层中存在部分未熔化完全的球形颗粒，当氧气流量增加至 24L/m时，涂层熔化状态良好，为波浪状及层状叠加，涂层结构呈现典型的喷涂态；由图 5（a）、5（c）可以看出当氧气流量恒定，增加煤油流量时，涂层中层状结构变差，局部出现过熔状态。因此，为保证涂层的结构及性能良好，在喷涂过程中必须必须严格控制氧气及煤油流量。
2.3 涂层性能的研究
通过上述研究，采用方案 4 的参数制备的涂层性能如表2所示,性能测试结果为5个检测试样的平均值。
为了考察 HVOF 对基体的热影响，对 2#涂层的截面进行了 SEM 观察及元素扫描分析，结果如图 6 所示。由图可以看出涂层/基体界面区域中，元素 Co、Cr、Ni、W、Fe 未发生明显的互扩散，体现该工艺对基体的热影响小。为明显的冶金结合，良好的界面结合状态有助于熔融态颗粒与基体之间元素的互扩散[10-11]。涂层孔隙率的检测分析结果如图 7 所示，涂层与基体结合良好，结构致密，孔隙率低，孔隙率为 0.5%。
3 结论
（1）不同喷涂距离对涂层结合强度及微观结构的影响研究结果表明，当喷涂距离为 340mm 时涂层的结构致密、均匀，结合强度较高，合适的喷涂距离以 340mm 为宜。
（2）氧气/煤油流量对涂层性能的影响研究结果表明，当流量分别为：O2，24L/m；煤油，900 L/h时，涂层熔化状态良好，为波浪状及层状叠加，涂层结构呈现典型的喷涂态。
（3）涂层的截面进行了 SEM 观察及元素扫描分析结果表明，涂层/基体界面区域中元素 Co、Cr、Ni、W、Fe 未发生明显的互扩散，体现该工艺对基体的热影响小，涂层微观结构及孔隙率的分析结果表明涂层与基体结合良好，结构致密，孔隙率低。
（4）采用方案 4 制备涂层性能结果为：结合强度 54.08 Mpa，硬度 83.5HR15N，孔隙率 0.6%。
参考文献略
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