等离子喷涂 WC 颗粒增强 Ni 基涂层组织及抗冲蚀性能
王东生, 田宗军, 王松林, 黄因慧
材料热处理技术
内容导读：等离子喷涂的WC颗粒能增强Ni涂层组织和抗冲蚀性能吗？这样的抗冲蚀能力能达到多大？本文针对这方面进行了研究探讨。
摘 要：采用等离子喷涂工艺制备 WC 颗粒增强 Ni 基涂层，分析了涂层的显微组织，并对其抗冲蚀磨损性能进行了测试。 结果表明，涂层呈层片状结构，有一定孔隙，WC 颗粒在涂层中分布均匀，且与母相结合良好。 随着冲蚀角度的增大，涂层冲蚀磨损质量损失先增大后减小，表现为塑性-脆性复合冲蚀磨损特征。
关键词：热喷涂粉末；等离子喷涂； 镍基合金涂层； WC 颗粒； 涂层组织； 抗冲蚀磨损性能
等离子喷涂具有沉积速度快、生产效率高、适用范围广、成本低等优势，是目前国内、外最常用的一种表面工程技术，其在航空航天、能源、机械、冶金等领域得到广泛应用。
Ni 基自熔性合金涂层性能优良且可喷涂性好，是一类常用的喷涂材料，主要应用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的材料表面[1]。 但现代科技的发展对表面涂层性能的要求愈来愈高，单一 Ni 基涂层已很难满足某些苛刻工况的要求。 陶瓷颗粒增强Ni 基涂层能将 Ni 金属母相材料较高的强度、 韧性和良好的工艺性能与增强陶瓷颗粒材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温及化学稳定性有机结合起来，极大地提高材料的表面性能。 因此近年来陶瓷颗粒 (如WC、TiC、TiN、SiC、ZrO2、Al2O3、SiO2、TaC、Cr2C3) 增强Ni 基涂层制备成为材料科学研究领域的热点问题之一[2-3]。WC 是耐磨性非常好的硬质相，具有硬度高、高温稳定、 塑性好以及与 Ni 基合金润湿性良好等优点，被广泛用作热喷涂 Ni 基合金的增强相[4-6]。
本文采用等离子喷涂方法制备了WC 颗粒增强Ni60A 涂层，分析了涂层的显微组织 ，测试了涂层抗冲蚀磨损性能，并讨论了复合涂层的冲蚀机理。
1实验材料及方法
实验用基体材料为钢铁研究总院高温材料研究所熔炼的γ-TiAl 基合金 (TAC-2)， 其尺寸为 20 mm× 20 mm × 8 mm。 喷涂用镍基合金粉末及增强相分别采用北京矿冶研究院生产的KF-Ni60A 自熔性合金粉末及KF-56 型镍包碳化钨粉末，将质量配比为 2 ∶1 的 Ni60A 粉末和 WC 粉末采用机械混合均匀后作为喷涂喂料。 在实际使用中用 WC 复合粉末而不用纯WC 粉末，其主要目的是为了提高增强 WC 粉体相与Ni 基合金母相之间的浸润性和降低喷涂过程中WC 陶瓷相的氧化、脱碳等现象。 Ni60A 和 WC粉末形貌如图1 所示。
等离子喷涂试验在美国普莱克斯公司生产的3710 型等离子喷涂系统上进行，喷涂参数见表 1。喷涂前试样经打磨、除油、喷砂等预处理。
固体粒子冲蚀试验在由喷砂机自行改装的冲蚀试验机上进行， 其工作原理及具体冲蚀试验过程见文献[7]。 利用 JSM-7100F 型(JEOL)场发射扫描电镜观察试样冲蚀前后的形貌， 并讨论涂层冲蚀破坏机理。
2结果及分析
2.1 涂层组织结构
 
图2 为等离子喷涂 WC 颗粒增强 Ni 基涂层表面形貌。可见复合涂层表面较平整，表明被送入等离子焰流内的喷涂Ni60A 镍基合金粉末和 Ni 包 WC增强颗粒熔化都比较充分， 熔融状态的颗粒撞击基体后铺展程度较好。从图3 的横截面形貌可以看出，涂层组织较致密， 白色的 WC 增强颗粒分布均匀，但涂层仍表现为等离子喷涂的典型层状结构，而且存在一定的孔隙。
结合图4 的 EDS 分析结果，白色组织的A 区只有 W 和 C 元素存在， 说明其为等离子喷涂过程中末熔化的WC 颗粒； 而其周围的 B区同时有W 和 Ni 元素存在， 表明在喷涂过程中等离子焰流的高温作用下，Ni包WC 粉末表层熔化，WC 部分熔解进入 Ni 基合金。 采用 Ni 包 WC 粉末，金属Ni 起到了浸润 WC 与其周围 Ni 基合金结晶相的作用，同时可以改善 WC 与其周围金属结晶相的结合状态。
2.2 涂层抗冲性能
图5 是涂层在不同冲蚀角下的冲蚀磨损质量损失曲线。可见，在60°冲蚀角度下，涂层的质量损失最大，而30°时次之，冲蚀角度为 90°时，涂层的质量损失最小，表现为塑性-脆性复合冲蚀磨损特征。 以冲蚀240 s 为例，30°、60°及 90°冲蚀角下涂层的总质
量损失分别为73.5 mg、80.7 mg 和 62.7 mg。 根据文献[8]的研究，WC 颗粒增强自熔化合金喷涂层的最大的冲蚀率出现在冲蚀角为45°～60°，本试验由于冲蚀试验角度数量的限制无法准确获得最大冲蚀率角度。 另外三个角度下冲蚀质量损失曲线都没有很
大的波动，表明涂层并没有出现大规模的剥落现象。
2.3 冲性结果讨论
根据冲蚀磨损理论[9]，在低冲蚀角时，涂层材料的损失主要是由于多角形冲蚀磨粒的犁削或切削造成的，情况与机加工车削有些类似，高速运动的多角颗粒像刀具一样切削涂层表面， 此时材料的硬度对冲蚀质量损失影响较大；而在大冲蚀角度下，冲蚀颗粒正面高速“捶打”涂层表面并挤压突出的唇片，材料变形磨损是造成涂层材料流失的主要原因。
图6 为不同冲蚀角下涂层冲蚀磨损后的典型形貌。 可以看到，30°冲蚀角下涂层有明显的冲蚀划痕，磨损比较严重，表明此时涂层受到高速飞行磨粒的犁削和切削磨损作用， 导致涂层表面较多的材料损失。另外涂层表面还存在一些小型凹陷，说明在低攻角时冲蚀磨粒不仅对涂层具有犁削， 还对涂层表面有“捶打”撞击造成小型凹陷，但是在材料丢失中切削起主要作用。 60°冲蚀角下冲蚀后的涂层表面切削的痕迹相对30°时的较轻，而小型的凹陷增多，另外有较多的微裂纹，说明随着冲蚀角度的增大，涂层垂直方向的“捶打”加重，切削的成分有所减少。由于等离子喷涂WC 颗粒增强 Ni 基涂层的硬度高且含有一定的孔隙， 因此由垂直方向冲蚀引起的变形磨损产生的裂纹扩展较为容易， 在裂纹扩展和微切削的双重任用下， 造成直接受冲击的最上部的片层组织从涂层脱落， 在涂层表面能看见许多片层剥落的痕迹， 因而在 60°冲蚀角下涂层的冲蚀磨损质量损失最大。由90°冲蚀角下涂层冲蚀表面形貌可以看出，涂层表层基本没有切削的划痕，只有明显剥落的痕迹，外加微裂纹及冲蚀凹坑。根据亚表面破坏力学可知[10]，涂层亚表层存在裂纹成核长大及屑片脱离母体的过程。在颗粒冲击表面过程中，颗粒对涂层表面施加了挤压力，使表面出现凹坑及凸起的唇片随后的粒子再对唇片进行反复“锻打”，压痕周围堆积的材料会因受多次冲击而形成畸变层， 在严重的塑性变形之后，材料成片屑从表面流失。
3结论
(1) 等离子喷涂 WC 颗粒增强 Ni60A 涂层呈层片状结构，有一定孔隙，WC 颗粒在涂层中分布均匀，且与母相结合良好。
(2) 随着冲蚀角度的增大， 涂层冲蚀磨损质量损失先增大后减小， 表现为塑性-脆性复合冲蚀磨损特征。
参考文献略
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