[摘 要] 纳米结构WC-12Co涂层的研究目前已受到了广泛重视,对其组织结构及影响因素的研究有利于提高涂层性能。采用HVOF工艺制备了纳米结构、多峰结构及普通微米结构3种WC-12Co金属陶瓷复合涂层,并采用SEM、XRD等对粉末及涂层的显微形貌、组织结构进行了分析;探讨了粉末在喷涂过程中的氧化脱碳机理,并指出了与之相关的影响因素。结果表明:纳米结构WC-12Co涂层结构致密,孔隙率低,与基体结合状态良好;纳米粉末在喷涂过程中比微米粉末氧化失碳严重,并发生了不同的纳米晶粒的长大;纳米粉末在喷涂过程中的氧化脱碳程度不仅与喷涂工艺有关,还在很大程度上取决于粉末本身的结构特性。
[关键词] HVOF;纳米结构涂层;陶瓷涂层;WC-12Co;组织结构
0 引 言
WC/Co金属陶瓷热喷涂层由于具有优良的耐磨性已被广泛应用于航空、电力、冶金、石油、化工、机械等工业领域,其机械性能取决于它的组织结构特性,如涂层的孔隙率、粒子之间的结合状态及相结构等。这些涂层特性主要受WC/Co喷涂材料特性及涂层制备方法的影响。目前的研究已表明:在WC/Co材料中,材料的硬度和强度会随着WC颗粒尺寸的减小而增加,纳米结构的WC/Co金属陶瓷材料比传统的WC/Co具有更高的硬度和韧性,耐磨性能更加优良,具有更为广阔的应用前景。因而,纳米结构WC/Co热喷涂层的研究已受到了广泛的重视[1-5]。
由于纳米结构WC颗粒尺寸细小、比表面积大、活性高,在热喷涂过程中,纳米WC颗粒具有晶粒长大,产生分解及脱碳的倾向,因此选择适当的工艺方法及制定合理的工艺参数是获得性能优良的纳米结构WC/Co涂层的关键。与其它热喷涂方法相比,超音速火焰喷涂(HVOF)的火焰喷射速度快,温度较低,喷涂粒子在空中飞行时间短,可显著缩短WC在焰流中的停留时间,降低WC在火焰中氧化脱碳的程度。因此,它非常适合用于制备纳米结构WC/Co金属陶瓷涂层[6-10]。
在本研究中,选择纳米结构、多峰结构及普通微米结构3种WC-12Co粉末为喷涂材料,采用超音速火焰喷涂方法制备涂层,分析了HVOF喷涂的不同WC-12Co涂层的结构特征,探讨了WC-12Co粉末结构特征对涂层组织结构的影响,分析了WC在喷涂过程中的氧化脱碳机理,为超音速火焰喷涂方法制备纳米结构WC/Co涂层的工艺选择提供了理论参数。
1 试 验
1.1 试验材料
喷涂粉末采用纳米结构、多峰结构及普通微米结构WC-12Co粉末,它们分别以N1、M1及C1表示。纳米结构及多峰结构WC-12Co采用团聚烧结法制造。微米结构WC-12Co采用烧结破碎法制造,粉末粒度为10~45Lm。纳米结构WC-12Co粉末牌号为Infralloy S7412,WC的原始晶粒尺寸为50~500nm,造粒后粉末的粒度为1~45Lm,粒子的平均尺寸为23Lm。多峰结构WC-12Co粉末的牌号为NanomyteM,l粉末中纳米相与微米材料的质量比30B70,纳米WC晶粒尺寸为30nm左右,微米WC的尺寸为2~3Lm,造粒后喷涂粉末的粒度为5~40Lm,粒子的平均尺寸为29Lm。
喷涂试样的基体材料为Q235,试样尺寸为50mm*14mm*15mm。
1.2 涂层制备
采用国产TⅠ-Ⅱ3200CY型HVOF设备进行喷涂,此设备采用航空煤油作为燃料,氧气作为助燃气,送粉载气采用氮气,喷涂工艺参数见表1。由表1可以看出,喷涂纳米材料的参数和喷涂常规微米粉末材料的参数有所差异,这主要是考虑到它们在焰流中的特性差别,其目的主要是降低纳米材料中WC粒子的氧化脱碳程度。
喷涂前先用丙酮清洗试样表面,然后用60目的刚玉对试样表面进行喷砂粗化处理。喷涂后涂层的厚度为0. 4mm左右。
1.3 试验方法
涂层采用S-570型扫描电镜(SEM)进行金相及组织结构分析,工作电压20kV,束流110LA。采用德国产D5000型X射线衍射仪进行物相分析, Cu靶,管压35kV,管流30mA,扫描步长0. 02b(10b~90b)。
2 试验结果及分析
2.1 WC-12Co粉末的组织结构
纳米结构、多峰结构及普通微米结构WC-12Co粉末的表面形貌如图1~图3所示。纳米结构及多峰结构WC-12Co粉末都呈圆球形状,但纳米结构粉末原始晶粒尺寸分布较均匀,大部分尺寸小于100nm,而多峰结构粉末原始晶粒尺寸范围较大。微米结构WC-12Co粉末的形貌为棱形,WC晶粒尺寸分散,大的粒晶尺寸已达2~3Lm,但小的粒晶尺寸为亚微米级。
2. 2 WC-12Co涂层的组织结构
图4所示为HVOF喷涂的纳米结构、多峰结构及普通微米结构WC-12Co涂层的表面形貌,图5为它们的横截面显微组织结构。从图4可以看出,不同结构的WC-12Co粉末在喷涂过程中产生的熔化程度不同,因而导致了不同的表面组织结构。在微米结构WC-12Co涂层中,可以清楚看到未微化的呈棱形状的WC颗粒,这说明在喷涂过程中微米级WC-Co颗粒仅表面发生熔化,而WC处于固状。在多峰结构WC-12Co涂层中,纳米尺寸的WC-12Co材料被加热熔化,而微米级的WC-12Co相当一部分仍处在半熔化状态。对于纳米结构WC-12Co涂层,由于WC颗粒尺寸细小、比表面积大、活性高,因而相当一部分已被加热熔化。由此可见,WC-12Co涂层的组织结构在很大程度上取决于粉末的结构特性。
从图5可以看出,HVOF工艺下形成的3种涂层孔隙率都极低,结构致密,涂层中粒子与粒子之间结合紧密。相对于传统的微米结构WC-12Co涂层,纳米结构WC-12Co涂层无明显的层状结构,孔隙率更低,显微组织结构更为致密,涂层中的WC颗粒更为细小,分布更加均匀。这说明在喷涂过程中纳米结构WC-12Co粒子到达基体时已具有很高的动能和热焓值,对基体的撞击作用强,因而获得了充分的变形,产生了结构致密的涂层。在上述3种不同结构的WC-12Co涂层中,纳米结构的WC-12Co涂层孔隙率最低,组织最细小,这主要是纳米结构粉末熔化程度高所致。
2.3 WC-12Co粉末及涂层的相结构
微米结构、多峰结构及纳米结构WC-12Co粉末及其超音速火焰喷涂层的X射线衍射图谱如图6所示。对纳米结构、多峰结构及普通结构WC-12Co粉末的分析表明:它们的XRD衍射曲线(见图6)是相同的,由单纯的WC和Co组成。从图6中还可以看出:N1、M1及C1涂层的相组成存在很大的差别,在C1涂层中,相的组成基本上与原来的粉末相同,主要由WC和Co组成,只有微量的W2C及Co6W6C相存在,这说明在HVOF喷涂过程中,C1中的WC颗粒未发生明显的分解。在M1和N1涂层中,涂层不仅存在喷涂粉末中的WC及Co相,同时出现了较强的W2C、W及Co6W6C相的衍射峰,它们都是在HVOF喷涂过程中产生的。同时,在2H为35b~48b的范围内出现了漫散射峰,这说明在M1和N1涂层中生成了Co-W-C非晶态合金组织。
图6中M1和N1涂层的XRD衍射图谱结果也表明:虽然M1和N1粉末在喷涂过程中都发生了典型的氧化脱碳,但纳米结构WC-12Co粉末的脱碳现象更为严重,W相的峰值强度更大。这说明在HVOF喷涂过程中,随着WC颗粒尺寸的减小和数量的增加,由于细小WC颗粒与火焰的接触面积增大,温度更高,熔化更充分,因此脱碳更为严重。
由XRD分析可知,纳米结构粉末在喷涂过程中更容易发生氧化失碳,可以认为在喷涂工艺接近的前提下,粉末本身结构在很大程度上影响了涂层的结构。
3 结 论
通过研究可得出以下结论:
1)采用超音速火焰喷涂可制备结构致密的纳米结构WC-12Co涂层。随着纳米结构WC-12Co粉末中WC颗粒尺寸的减小及数量的增加,涂层的致密度提高。
2)虽然HVOF制备的微米结构WC-12Co涂层中WC基本上没有产生氧化脱碳,但是在多峰结构及纳米结构WC-12Co涂层中WC不同程度地产生氧化脱碳,生成W2C、W及Co6W6C等物相。
3)对于纳米结构WC-12Co粉末,纳米WC颗粒尺寸越细小,所占比例越高,在喷涂过程中越易产生氧化脱碳。
[参考文献]略
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