热喷涂铜基 W涂层工艺性能研究
简中华, 马壮, 王富耻,曹素红
兵器材料科学与工程
摘 要: 采用超音速火焰(HVOF) 和等离子喷涂工艺制备铜基体 W 涂层, 分析涂层的组织形貌, 测定等离子喷涂 W 涂层的孔隙率、显微硬度和结合强度, 并考察该涂层的压缩性能。结果表明: HVOF 制备 W 涂层时, 钨颗粒加热熔化不充分, 主要以固态颗粒形式撞击基体, 不能形成连续涂层; 等离子喷涂 W 涂层时, 钨颗粒熔化充分, 铺展变形改善, 涂层致密, 平均孔隙率为 2%, 显微硬度为 315HV0.1; 等离子喷涂 W 涂层与铜基体结合质量较好, 结合强度可达 36 MPa, 经压缩变形后与铜基体结合较好, 涂层未出现整体剥落, 二者具有较好的协调变形能力, 随压缩载荷增加, 涂层和基体变形量差值增大, 涂层边角部分孔隙增加, 结合能力变差。
关键词: 热喷涂; W 涂层; 压缩; 延伸率; 结合强度 钨金属因具有熔点高、密度高等优异性能, 在新型药型罩材料应用方面越来越受到重视[1-3]。由于制造技术及成本等因素的限制, 目前常将钨作为添加剂用于生产复合药型罩[4-5]。通常采用机械合金化(即高能球磨方法, MA) 的技术, 将铜、钨粉末在高能量磨球的撞击作用下, 粉末之间发生反复的破碎—冷焊—破碎的研磨过程, 成为极细( 纳米—微米级) 的复合颗粒, 从而发生固态反应, 形成高均匀分布的钨铜合金粉体。但此工艺制备效率较低, 不适于大规模生产。
热喷涂技术以其工效高、适用广、基体变形小及涂层厚度易控等特点, 近年来在制备陶瓷或金属涂层方面得到广泛应用, 尤其成为制备活性较差金属涂层时常用的技术之一[6-8]。通常环境条件下, 金属铜和钨活性较差, 且 Cu- W 为正混合热焓值的非互溶体系, 利用传统的涂层制备技术在铜基体上形成 W 涂层时, 工效低, 涂层结合质量差[9-11]。试验采用超音速火焰(HVOF)和等离子喷涂技术制备了铜基体 W 涂层, 分析比较涂层的组织形貌, 并测定了等离子喷涂 W 涂层的孔隙率、显微硬度和结合强度, 重点考察了涂层的压缩性能, 研究在高速冲击载荷下铜基体与 W 涂层的变形规律及二者间的协调变形能力。
1 试验方法
基体材料用 T2 紫铜板, 按照航空工业标准, 分别制成 Φ15 mm×6.5 mm 压缩试样和 Φ36 mm×10 mm拉伸试样。涂层材料采用团聚型纯钨粉, 等离子喷涂W 粉时, 首先在铜基体上喷涂 NiCrCoAlY 粉末打底。喷涂设备采用 PRAX- TAFA 公司的 JP- 5000 型超音速火焰喷涂设备和 5500 型低压等离子喷涂设备。HVOF喷涂时燃料为航空煤油, 氧气为助燃气, 燃料压力为1.2 MPa, 流量为 21 m3/h, 氧气压力为 1.5 MPa, 流量为57 m3/h, 送粉量为 5 kg/h, 喷涂距离为 380 mm, 钨粉粒径为 20～60 !m。等离子喷涂时电流强度为 800A, 主气Ar 流量为 3 m3/h, 次气 He 流量为 0.6 m3/h, 送粉量为 3kg/h, 喷涂距离为 100 mm, 钨粉粒径为 45～80 !m。
为考察铜基体与钨涂层作为药型罩材料其变形协调性能及承受高速冲击压缩载荷的能力, 试验利用高速空气锤设备测定等离子喷涂 W 涂层压缩性能, 选用3、4、4.5、5MPa 四种载荷进行压缩试验, 测量试样压缩变形后基体和涂层的直径尺寸, 并计算涂层和基体的延伸率#。采用圆柱试样粘结法测定涂层的拉伸性能,即考察涂层基体间的结合强度, 试验原理如图 1 所示。
采用 Olympus- PEM 金相显微镜和 JSM- 5600LV型扫描电子显微镜观察 W 涂层截面及表面组织形貌。采用 LM700AT 型显微硬度仪测定等离子喷涂 W 涂层的显微硬度, 测试载荷 0.98N。采用 Ia- 32 图像分析系统测量该 W 涂层孔隙。显微硬度和涂层孔隙率分别取5 组测量数据的平均值。
2 试验结果与讨论
2.1 涂层组织形貌及基本性能
图 2 为 HVOF 喷涂 W 涂层表面 SEM 形貌照片。由图可见, HVOF 喷涂 W 涂层很薄且有许多孔洞, 局部区域基体铜暴露出来, W 颗粒熔化程度较低, 几乎保持着其原始形貌。这主要是由于 HVOF 喷涂火焰温度较低, 一般为 3 000 ℃左右, 而金属钨熔点较高, 接近 3 340 ℃, 颗粒在低温焰流中不易熔化。同时 HVOF喷涂时颗粒的飞行速度较快, 颗粒在焰流中的停留时间较短, 加热和熔化不充分。由于 HVOF 喷涂速度较高, 未熔颗粒高速撞击基体时极易发生反弹而脱落。
图 3 为等离子喷涂 W 涂层截面形貌。从图可以看出, 等离子喷涂 W 涂层时, 涂层颗粒熔化充分, 涂层较为致密, 经试验测得涂层平均孔隙率仅为 2%, 涂层横截面显微硬度为 315HV0.1。等离子喷涂 W 涂层致密的组织结构和较高的硬度主要是因为喷涂火焰温度较高, 改善了 W 颗粒的熔化程度, 使其撞击基体后铺展变形更充分, 颗粒间搭接更紧密, 涂层孔隙率减小, 显微硬度随之提高。
等离子喷涂 W 涂层进行拉伸试验时, 涂层与基体间结合质量较好, 只有局部区域内涂层与基体间的结合发生破坏, 主要破坏区存在于在强力胶粘接剂内部。测定拉伸试验中 W 涂层平均结合强度达 36 MPa, 表明等离子喷涂 W 涂层结合强度较高, 接近本试验中粘接剂的实际结合强度, 因而涂层和强力胶均发生拉断失效。
2.3 涂层高速压缩性能分析
表 1 为 3、4、4.5、5MPa 四种压缩载荷下基体与等离子 W 涂层变形后的直径尺寸。由表可知, 铜基体与W 涂层承受高速压缩作用后直径均增加, 表现出良好的延展性。铜金属本身延展率可达 50%, 延展性能优异, 而 W 涂层延展性能较 W 合金有所提高, 主要原因在于以下几点: 1) 比较烧结制备得到的 W 合金, 等离子喷涂制备的 W 涂层孔隙率相对较大, 在一定程度上可缓解涂层的形变; 2)由于铜金属的延展性十分优异,铜基体直径变形量较大, W 涂层与铜基体压缩变形时呈向涂层一侧弯曲变形的趋势, 此时一部分 W 涂层的变形可由铜基体承担; 3) 是由于 W 颗粒在高温等离子焰流中受热熔化后, 钨晶体出现了一定程度的韧脆转变, 从而提高了原脆性相钨的延展性。由表 1 可以看出, 随着载荷 P 的增大, 基体变形直径逐步增加, 而 W涂层变形直径逐步减小, 这主要是由于随着压缩载荷的增大, 铜基体与钨涂层形变速度增快, 尽管 W 涂层由于孔隙增加及韧脆转变等原因, 延展性能得到一定程度的提高, 但在高速应变时仍来不及充分变形, 变形后直径趋于减小。
由表 1 计算得到的每一压缩载荷下基体和涂层的延伸率。绘制延伸率 ! 随压缩载荷 P 的变化关系曲线, 如图 4 所示。由图可见, 随压缩载荷 P 的增加, 铜基体的延伸率增大, W 涂层的延伸率减小, 涂层和基体延伸率的差值增大。载荷为 3 MPa 时, W 涂层与铜基体的延伸率差值最小, 低于 7%。这表明等离子喷涂 W涂层与铜基体间在承受高速冲击压缩载荷时具有很好的协调变形能力。
观察压缩试验后的试样, 随着施加载荷 P 的增大,W 涂层边缘部分与铜基体逐渐分离, 且脱落现象随载荷的 P 增大越来越明显。但涂层未出现整体的剥落,其主体部分与基体仍结合良好, 加载至 5 MPa 时, 仍没有涂层脱落的迹象。这表明等离子喷涂铜基体 W 涂层结合质量较好, 具有一定承受高速冲击压缩载荷的能力。
图 5 为不同压缩载荷下等离子喷涂 W 涂层截面组织形貌照片。由图可见, 经压缩变形后 W 涂层与铜基体仍保持良好结合, 涂层未出现大面积剥落, 涂层与基体基本处于一个平面, 表明 W 涂层具备一定的延展变形能力。由图 5a 可见, 载荷为 3 MPa 时, 涂层边角和中间位置孔洞均较压缩前增多, 涂层疏松且呈一定的破碎状。其主要原因在于尽管 W 涂层延展性能得以改善, 但其延展性仍较铜基体差, 涂层边缘位置由于与铜基体变形能力差异产生的应力集中易造成组织疏松和碎裂。如图 5b 所示, 压缩载荷增大至 4 MPa 时,涂层边角处与基体间的不连续程度增大, 边角部分孔隙增多, 裂纹增加, 涂层碎裂情况较图 5a 严重, 而涂层中心部分孔隙减少, 涂层更致密。结合表 1 及图 4可以看出, 压缩载荷由 3 MPa 增至 4 MPa 时, W 涂层变形后直径增量减小, 延伸率下降, 这主要是由于压缩载荷增大, 基体涂层变形速率提高, W 涂层变形未能充分进行, 故涂层沿直径方向变形量较低载荷时小, 涂层内孔隙率较接近原始涂层。由图 5c 可见, 压缩载荷增至 4.5 MPa 时, 涂层边角部分碎裂情况更加明显, NiCrCoAlY 底层已开裂成裂块, 涂层与基体间界面结合更差, 而涂层中心部分更为致密。由图 5d 可见, 载荷为 5 MPa 时, 涂层边角碎裂程度最大, 涂层与基体间结合最差, 边角上出现一明显的因涂层脱落所致的凹坑。涂层边角碎裂程度随压缩载荷增大而逐渐恶化的主要原因在于当压缩载荷较小时, 涂层和基体的结合强度与因钨铜延伸率差异产生的残余应力相当, 压缩后, 涂层和基体呈现出较好的连续变形梯度;而当载荷逐渐增大, 铜基体与 W 涂层间延伸率相对增大, 二者相对变形量增加, 结合强度小于钨铜之间的残余应力, 从而导致涂层边角位置结合情况逐渐变差。
3 结 论
1)HVOF 制备 W 钨涂层时, 钨颗粒加热熔化不充分, 主要以固态颗粒形式撞击基体, 形成的涂层不连续。
2)等离子喷涂 W 涂层时, 钨颗粒熔化充分, 铺展变形改善, 涂层致密, 平均孔隙率为 2%。
3)等离子喷涂 W 涂层与铜基体结合质量较好, 抗拉强度可达 36 MPa。等离子喷涂 W 涂层经压缩变形后与铜基体结合仍较好, 涂层未出现整体剥落, 二者协调变形性较好, 随压缩载荷增加, 涂层和基体变形量差值增大, 涂层边角部分孔隙增加, 结合能力变差。
参考文献略
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