HVOF热喷WC—Co-Cr涂层在不同攻角下的料浆冲蚀行为
李 阳，刘 阳，段德莉等
中国表面工程
引 言
由于喷涂设备和工艺不同所造成的涂层结构差异，尤其是一些难以避免的孔洞、层状结构等缺陷，对冲蚀行为有重要影响。文献E9]采用料浆罐冲蚀试验机研究了这两类缺陷在不同工况下对涂层耐冲蚀性能的影响，结果显示普通工况条件下孔隙率高的涂层耐冲蚀性能差，而苛刻工况下层状结构明显的涂层耐冲蚀性能更差。由于料浆罐冲蚀试验机无法准确确定攻角、粒子速度、料浆浓度等试验条件，而涂层缺陷在不同攻角下的响应行为又是人们非常关心的问题，有必要采用确定攻角的冲蚀试验机对其进行研究。材料在不同攻角下的冲蚀行为早有报道。1960年Finnid利用气体携带SiC颗粒冲击塑性和脆性靶材，发现典型塑性材料的冲蚀率在20。攻角左右出现极值．而后随着攻角增大逐渐下降；脆性材料的冲蚀率极值则出现在90。攻角附近。Lev等对合金进行了料浆冲蚀试验。发现随着攻角的变化多种合金的冲蚀率出现两个极值，对具体原因却缺乏分析；林福严等用流体力学理论初步解释了双峰现象。上述研究大都没有考察缺陷在攻角对材料冲蚀行为的影响，尤其硬质涂层的料浆冲蚀行为还少有深入研究报道。
立论目的是研究孔隙率、层状结构等缺陷在攻角对硬质涂层冲蚀行为影响中所起的作用。在不锈钢基材上用不同的高速火焰设备喷涂名义成分相同的商品粉末，制成多种WC—Co—Cr涂层靶材，用自制的射流冲蚀试验机研究各涂层在不同攻角下的料浆冲蚀行为，着眼于孔隙率、层状结构等缺陷在不同攻角下的响应，提出考虑缺陷的硬质涂层射流冲蚀模型，讨论涂层冲蚀率随攻角变化的双峰值现象。
摘 要：用3种高速火焰热喷涂(HVOF)设备将成分相同的6种商品热喷涂粉末喷涂在0Crl3Ni5Mo不锈钢基材上，制成9种WC-Co-Cr涂层。用自制射流冲蚀试验机对各涂层在15、45、75和90度攻角下的料浆冲蚀行为进行研究，重点分析涂层孔隙和层状结构等缺陷在不同攻角下所起的作用。结果表明：低攻角时涂层冲蚀机制以微切削去除为主，高孔率涂层更易发牛切削导致冲蚀率较高；高攻角时涂层冲蚀机制以冲击作用下裂纹萌生扩展导致涂层剥落为主，高孔率涂层有利于对冲击能量的吸收耗散，孔隙抑制裂纹扩展，而层状结构明显的涂层其裂纹更易在层同萌牛和扩展，导致涂层呈片状剥落。冲蚀率更高。在试验的基础上提出了考虑缺陷的硬质涂层射流冲蚀模型，并讨论了涂层冲蚀率随攻角变化的双峰值现象。
关键词：热喷涂粉末；高速火焰热喷涂；WC-Co-Cr涂层；攻角；孔隙；层状结构
1试验材料与方法
1．1试验材料及表征
采用3种典型的高速火焰热喷涂(HVOF)设备将6种名义成分(86WC-10Co一4Cr)相同的商品粉末喷涂在厚度61D．ITI的0Crl3Ni5Mo不锈钢平板上，得到涂层厚度范围180～450弘m的9种WC—Co—Cr硬质涂层作为靶材。
用LINKS2206B型表面粗糙度仪测量涂层的Ra，取3次测量数据的平均值。涂层的孔隙率、显微硬度和表征层状结构的比能耗(SEC)测定方法见文献。用FEIINSPECTF50型和HITACHIS一3400N型扫描电镜观察靶材冲蚀前后的涂层表面形貌。
作为靶材的9种涂层显微结构已经在文献[9]中提及，其中M系列涂层的孔隙率偏高，M2和M3两种涂层孔隙率高达13％以上，而M1和T1涂层则观察到有明显的层状结构。喷有涂层的9种靶材样品编号和测试性能列于表l。
1．2射流冲蚀试验
图l是自制的射流式料浆冲蚀设备简图。其运行原理为：水流通过水泵加速流入射流器内，因膨胀产生负压，将置于水箱集砂斗中的固体粒子通过吸砂管吸入射流器内腔，与水流混合形成料浆后从射流器喷嘴射向靶材样品的涂层表面。流经吸砂管的粒子流量由抽吸阀调节，经水泵加速后的水流量和压力由旁通阀调节。通过两个阀门的匹配调节，可以获得不同速度(及浓度)的料浆射流；改变靶材样品夹的方位，可以确定不同的攻角。
试验采用的喷嘴直径为7．5mm，射流器入口直径为2．7mm；喷嘴与靶材样品中心的距离为36mm，料浆射出喷嘴速度为4m／s；料浆浓度(固液比)为24％，固体粒子为多角形石英砂，粒度为420-210µm(40～70目)；攻角为15、45、75、90度，各攻角下的冲砂量由冲蚀时间决定，分别取3min、8 min、15 min、30 min、60 min，其中在15。攻角下还增加了90min、120 min两个冲蚀时间；每种条件的试验完成后更换新的靶材样品，每种样品在某一攻角下完成所有冲蚀时间的试验后更换新砂(总量为2kg)。
喷有涂层的平板状靶材样品尺寸为15mm×15mm。每次试验前后均用刷子蘸取酒精刷洗，再浸泡在丙酮中超声波振动清洗15min，烘干15min后放入干燥箱内冷却，用精度0．1 mg的电子天平称重。冲蚀试验前后测得的靶材质量差值作为冲蚀失重，用冲蚀率(单位质量冲砂量所造成的样品冲蚀失重)来表征涂层耐冲蚀性能。
略
3 结 论
(1)硬质涂层缺陷如孔隙和层状结构等的影响超过涂层硬度的影响，在不同攻角下均降低涂层的耐冲蚀性能。
(2)低攻角射流冲蚀时，高孔隙率涂层由于材料抗剪切能力低，更易发生微切削，耐冲蚀性能最差。
(3)高攻角射流冲蚀时，层状结构明显涂层的裂纹更易萌生和扩展，冲击量较大时涂层剥落严重；而高孔率涂层的较多孔洞有缓冲能力，有利于冲击能量的吸收耗散并阻碍裂纹的扩展，其耐冲蚀性能较优。
(4)提出了考虑缺陷的硬质涂层射流冲蚀模型，不仅可以定性说明涂层冲蚀行为随攻角变化的规律，而且解释了本文出现的涂层冲蚀率随攻角变化的双峰值现象。
图略
参考文献略
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