摘 要：采用超音速火焰喷涂(HVOF)分别制备了微米及亚微米 WC-12Co 金属陶瓷复合涂层，采用超声振动汽蚀装置研究了涂层的抗汽蚀性能，使用 SEM 微观分析的方法对蚀坑的形貌进行了观察，并对汽蚀机理做了初步探讨。 结果表明：亚微米 WC-12Co 涂层表现出优异的抗汽蚀性能，汽蚀率仅为微米涂层的 70%左右，涂层中亚微米 WC 的存在是涂层抗汽蚀性能提高的主要因素。
关键词：超音速火焰喷涂； WC-12Co 涂层； 汽蚀
汽蚀普遍存在于挖泥船的泥泵、船舶的推进器、船舶内燃机汽缸套、 水力发电设备中的水轮机叶轮以及其他一些过流部件，它导致零部件的早期失效。在实际工程中，这些零部件往往要同时承受汽蚀、腐蚀以及流体中固体粒子的冲蚀磨损， 这些复合作用进一步加剧了零部件的早期破坏， 缩短了它们的使用寿命， 给工业生产带来巨大的经济损失。 为提高零部件的抗汽蚀性能，这些零部件材料的选择经历了从铸铁、铸钢、铜、不锈钢到表面涂层材料的发展过程。 由于汽蚀仅发生于液体与固体表面的接触处，零件的抗汽蚀性能取决于它的表面性能，因此零件的抗汽蚀性能可以通过表面改性技术来提高，目前各国对设备抗汽蚀性能的研究的重点已转移到抗汽蚀材料特别是涂层材料的研究上[1-4]。
WC-Co 是由 WC 陶瓷硬质相及 Co 金属粘结相组成的金属陶瓷复合涂层材料，其中 WC 具有极高的硬度、强度、弹性模量和导热系数，耐磨性能极高；Co 具有一定的韧性，其抗疲劳性能较好，是金属中抗汽蚀性能较优良的金属之一， 因此 WC-Co 金属陶瓷涂层具有优良的抗汽蚀性能， 成为近年来应用研究的一个重点，并已应用于水轮机叶轮上[5-9]。 目前已有的研究表明：WC 颗粒的尺寸从微米级 (1～10 μm)降低到亚微米级(<0.4 μm)时，硬质合金的硬度和强度分别增加到 93HRA 和 4000MPa 以上[2]。
亚微米的 WC-Co 硬质合金则有比传统硬质合金更高的硬度和断裂韧度，耐磨性更加优越，因而亚微米的 WC-Co 涂层可望比普通的 WC-Co 涂层具有更优良的抗汽蚀性能[10]。热喷涂技术是目前发展最快、 应用最为广泛的表面改性技术之一， 其中最具有应用前景的为超音速火焰喷涂(HVOF)技术。 由于在超音速火焰喷涂过程中火焰喷射速度快，粒子在空中飞行时间短，可显著降低其他工艺方法所伴随的粒子在空中飞行中的氧化脱碳现象， 因此尤其适合于 WC-Co 金属陶瓷复合涂层的制备[11-12]。 HVOF 工艺制备的 WC-Co 涂层孔隙率低、 硬度高， 同时涂层与基体结合强度达70 MPa 以上，具有极优的耐磨损性能。 因此，本文所开展的 HVOF 喷涂亚微米 WC-Co 涂层的抗汽蚀性能及机理的研究可以为抗汽蚀涂层的涂层设计、工艺设计提供理论依据， 具有较重要的科学研究意义和实际运用价值。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
喷涂粉末采用亚微米和普通微米结构的WC-12Co 粉末。 亚微米粉末由 0.2 μm 的 WC-12Co团聚烧结而成，粉末粒度为 10～45μm，以 SP 表示；微米结构 WC-12CoC 粉末主要由 2～3μm 的 WC 颗粒通过烧结破碎法制成，造粒后粒度为 10～45μm，以 CP 表示。 喷涂试样的基体材料为 Q235 钢。
1.2 试验方法
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。HVOF制备的亚微米及微米 WC-12Co 涂层分别以 SC 及CC 表示。
喷涂前首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。 喷涂后涂层厚 0.5mm 左右，喷涂后对涂层进行磨削加工，使其表面粗糙度 Ra≤1.6μm，加工后涂层厚约 0.4 mm。汽蚀试验采用 J93025 超声波振动汽蚀试验装置，试验方法参照 GB/T8363-86 方法执行[13]，试验参数见表 2。 粉末和涂层的表面形貌及微观组织结构采用 S-570 和 JSM6700F 扫描电镜(SEM)观察， 试样的汽蚀失重采用 TG328 电子天平称重， 精确到0.1 mg。 涂层的显微硬度使用 71 型显微硬度计测量，加载砝码 200g。 涂层的孔隙率在 LeitzMM6 电子显微镜上使用 MIAPS 图像分析仪测量， 为 10 点测量的平均值。
2 实验结果及分析
2.1 WC-12Co 粉末及涂层的组织结构
图 1 为亚微米和普通微米结构的 WC-12Co 粉末的表面形貌。 可以看出，亚微米 WC-12Co 粉末主要由 0.2μm 左右的 WC-12Co 团聚而成， 喷涂粉末外形为球状，大部分粉末粒度为 10～30μm。 微米结构 WC-12Co 粉末中 WC 晶粒尺寸分散， 大的晶粒尺寸已达 2～3μm，但小的晶粒尺寸也为亚微米级，喷涂粉末颗粒外型不规则，多呈多角形和块状。HVOF 制备的微米及亚微米 WC-12Co 涂层的表面形貌如图 2 所示。 可以看出，亚微米 WC-12Co涂层的表面形貌与普通微米 WC-12Co 涂层存在一定的差异， 在微米 WC-12Co 涂层中能观察到未熔化呈多边形的 WC 颗粒，这说明微米尺寸 WC-12Co颗粒仅表面发生了熔化，而内部仍处于固态。在亚微米 WC-12Co 涂层中，由于 WC 粒子细小，表面体积比高，活性大，因此大部分 WC 颗粒产生了熔化，由此可见 WC-12Co 涂层的组织结构很大程度上取决于粉末的结构特性。
图 3 为微米及亚微米 WC-12Co 涂层的横截面显微组织结构，表 3 为涂层的孔隙率和显微硬度。从图 3 中可以观察到， 微米及亚微米 WC-12Co 涂层孔隙率低、 组织致密， 层间结合牢固。 相对于微米WC-12Co 涂层， 亚微米 WC-12Co 涂层具有更致密的 组 织 结构和更低的孔隙率。由于在亚微米WC-12Co 涂层中 WC 颗粒细小，涂层致密，孔隙率低，这使涂层的硬度比微米涂层提高 35%以上。 这说明亚微米 WC-12Co 粒子在喷涂过程中， 在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，因而获得充分的变形，产生结构致密的涂层。
2.2 WC-12Co 涂层汽蚀试验结果
图 4 为 HVOF制备的亚微米和普通微米结构的 WC-12Co 涂层的汽蚀试验曲线。 可以看出，亚微米 WC-12Co 涂层的汽蚀体积量随时间基本上成直线增加，但微米 WC-12Co 涂层的汽蚀曲线斜率大，即其汽蚀率高，抗汽蚀性能差。亚微米结构WC-12Co 涂层汽蚀曲线斜率小于微米 WC-12Co 涂层,这说明亚微米结构涂层的抗汽蚀性能得到了较大的提高。 WC-12Co 涂层的汽蚀率曲线如图 5 所示。 可以明显看出，微米结构 WC-12Co 涂层的稳定期 的 汽 蚀 率 在 1.0 mm3/h 左 右 ， 亚 微 米 结 构WC-12Co 涂层的稳定期汽蚀率在 0.7 mm3/h 左右 ，并且亚微米结构 WC-12Co 涂层后期显示了更稳定的汽蚀率。 由此可见，亚微米结构的 WC-12Co 涂层显示出了优良的抗汽蚀性能。
2.3 WC-12Co 涂层的汽蚀机理分析
图 6 为微米及亚微米 WC-12Co 涂层汽蚀 16h后的蚀坑形貌。 可以看出，微米 WC-12Co 涂层与亚微米结构 WC-12Co 汽蚀后蚀坑的形貌特征有着一定的差异， 这主要是这两种涂层的汽蚀机理不同所致。 微米 WC-12Co 涂层在气泡无规则破裂而产生强大的交变冲击应力作用下，材料表面的薄弱处(如微孔缺陷处) 首先由于反复塑性变形形成了加工硬化，在晶界附近由于相邻两相的晶体结构不同，造成塑性变形不协调。 这种不协调的内应力在晶界及涂层的层间形成高应力场，继而产生裂纹，导致晶界脆性组织断裂和脱落而成为汽蚀源。 在空泡溃灭产生的应力作用和微射流冲击下， 裂纹沿微射流作用方向在晶界脆性组织处进一步扩展， 已暴露的无依托的晶粒极易被剥离造成汽蚀坑， 蚀坑的进一步扩大直接导致涂层的层间剥离及大颗粒的脱落。
在亚微米 WC-12Co 涂层中， 由于亚微米结构的存在，粒子变形更充分，层间结合更牢固，涂层组织更细小致密，涂层硬度更高。 同时，亚微米涂层中粒子颗粒度小，颗粒间结合面较多，晶粒分布均匀，存在大量的细晶粒边界， 因此提高了涂层的韧性及塑性， 起到缓冲应力的作用， 这使疲劳裂纹难以扩展，因而涂层表面表现出更优秀的抗汽蚀性能。
3 结论
(1) 与普通微米 WC-12Co 涂层相比，HVOF 制备的亚微米 WC-12Co 涂层组织更致密， 孔隙率更低，涂层显微硬度提高 35%以上。
(2) 相对于微米结构 WC-12Co 涂层，亚微米结构 WC-12Co 涂层具有更优异的抗汽蚀性能，它的汽蚀率仅为 HVOF 喷涂的微米 WC-12Co 涂层的 70%左右。 其原因是涂层中亚微米级 WC 粒子的存在，提高了涂层的硬度和韧性，延缓了微裂纹的扩展。
参考文献略
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