超音速火焰喷涂碳化物金属陶瓷涂层冲蚀磨损性能
富 伟, 纪岗昌, 王洪涛, 魏雪冬
材料热处理
摘 要：采用超音速火焰喷涂技术喷涂不同工艺的两种粉末，得到 Cr3C2-25NiCr 和 WC-12Co 涂层；对涂层的冲蚀磨损性能进行了测试；采用扫描电镜对原始粉末以及冲蚀前后涂层的组织形貌进行了观察。结果表明，团聚烧结粉制备的涂层组织较致密。 粘结相含量较多的涂层，其冲蚀磨损性能较差；致密度较高的涂层，其冲蚀磨损性能较好。
关键词：热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/；超音速火焰喷涂； 金属陶瓷涂层； 冲蚀磨损
磨损失效是工业产品失效的主要原因之一。 超音速火焰喷涂(HVOF)技术的出现对金属材料表面抗磨损领域发展带来了新的突破，尤其 HVOF 技术制备的以 WC-Co 和 Cr3C2-NiCr 为主的金属陶瓷涂层在汽轮机、涡轮机以及航空发动机领域获得了广泛的应用[1]。 众多学者对 HVOF 喷涂制备的 WC-Co、Cr3C2-NiCr 涂层进行了研究， 发现涂层的冲蚀磨损性能受喷涂参数、初始粉末形貌、碳化物颗粒尺寸及分布、碳化物颗粒硬度等因素的影响[2-4]。 但对于碳化物形貌对超音速火焰喷涂制备金属陶瓷涂层的显微结构和冲蚀磨损性能的影响有待研究。 为此，本文选用 WC-12Co 和 Cr3C2-25NiCr 两种粉末， 在相同的参数下制备涂层， 在相同的冲蚀磨损工艺下进行测试。 通过涂层表面和断面形貌的观察， 比较并分析两种涂层的冲蚀磨损性能以及冲蚀磨损机制。
1 实验过程
喷涂粉末为商用 Cr3C2-25wt%NiCr 粉末 (团聚烧结)和商用 WC-12wt%Co 粉末(烧结破碎)，粒度均为 15～45μm。基体材料为低碳钢 Q235，冲蚀试样尺寸为 50mm× 40 mm × 5mm。 试样经粗化后，喷涂约 200 μm 厚的涂层。
喷涂设备为西安交通大学焊接研究所研制的CH-2000 型超音速火焰喷涂系统。喷涂实验参数：氧气、燃气和送粉气的压力分别为 0.55、0.40 和 0.6MPa；氧气流量为 422L/min；丙烷流量为 36L/min；氮气流量为 36L/min。冲蚀试验用常温干砂冲蚀磨损试验机进行测试，加速气体为压缩空气。直径 3.6mm 的喷嘴，嘴口到试样表面中心距离 100mm。 压缩空气压力 0.35MPa，冲蚀磨料为 60 目的棕刚玉砂， 冲蚀角度 30°～90°。每次冲蚀磨料量 40g， 连续冲蚀到涂层质量损失呈稳定变化(稳定冲蚀磨损状态)为止。 涂层的冲蚀磨损性能用冲蚀率表示。 冲蚀率是指稳定冲蚀磨损状态下，单位质量磨料产生的涂层冲蚀磨损质量损失，单位为 mg/g。 用扫描电镜对涂层冲蚀前后的表面和断面形貌进行观察。
2 结果与讨论
2.1 粉末形态
粉末表面形貌如图 1 所示，Cr3C2-25NiCr 粉末具有规则的几何形貌， 而 WC-12Co 粉末呈现不规则的形貌，少部分表现出尖锐的棱角；从粉末断面看，Cr3C2-25NiCr 粉末内部有较大的孔隙，而 WC-12Co粉末内部的孔隙较小。
2.2 涂层组织形貌
图 2 为原始涂层的显微组织。 两种涂层均显示出致密的粉末结构，喷涂粒子呈典型的扁平化形貌。Cr3C2-25NiCr 涂层的孔隙率较 WC-12Co 涂层的小，通过比较发现 Cr3C2-25NiCr 涂层内部有大孔出现，WC-12Co 涂层内部的孔隙较小且较均匀。超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层的组织结构受喷涂原始粉末结构的影响。试验采取两种粉末Cr3C2-25NiCr 和 WC-12Co，Cr3C2-25NiCr 粉末外形为较规则的球形， 内部孔隙较多较大；WC-12Co 粉末外形不规则，内部结构较致密。经超音速火焰喷涂制备得到 Cr3C2-25NiCr 和 WC-12Co 涂层。 涂层内部 Cr3C2-25NiCr 和 WC-12Co 粒子均发生扁平化变形，但 Cr3C2-25NiCr 涂层内部会出现较大的孔隙，而WC-12Co 涂 层 内 部 孔 隙 较均匀。整体上看 ，Cr3C2-25NiCr 涂层的孔隙率较 WC-12 Co 涂层的孔隙率小。 可认为，外形较规则的粉末经 HVOF 喷涂后可以得到整体致密度较高的涂层。显微硬度测试结果(图 3)表明，Cr3C2-25NiCr 涂层的显微硬度比 WC-12Co 涂层的小。
2.3 冲蚀磨损
图 4 是涂层的冲蚀率与冲蚀角度之间的关系。可看出， 随冲蚀角度的增大， 涂层的冲蚀率逐渐增大，在 90°冲蚀角度下，涂层的冲蚀率达到最大。 在冲蚀角度相同的条件下比较两种涂层的冲蚀率，发现 Cr3C2-25NiCr 涂层的冲蚀率均较 WC-12Co 涂层的冲蚀率大。
图 5(a)是 90°冲蚀后的涂层表面形貌。发现冲蚀后的涂层表面有明显的裂纹和粒子剥落后留下的凹坑。 图 5(b)是 90°冲蚀后的涂层断面形貌。 发现在被冲蚀涂层的次表面出现了与被冲蚀涂层表面平行的裂纹，有些裂纹已经扩展到被冲蚀涂层的表面。涂层的组织结构影响其冲蚀磨损性能。 冲蚀试验结果表明，Cr3C2-25NiCr涂层的冲蚀率较WC-12Co 涂层的冲蚀率大。 通常认为，涂层的硬度越高其冲蚀磨损性能越好。 硬度测试结果显示，Cr3C2-25NiCr 涂层的硬度较 WC-12Co 涂层的硬度小； 与WC-12Co 涂层相比，Cr3C2-25 NiCr 涂层所含的粘结相较多，在冲蚀过程中 NiCr 合金更易受干砂粒子的冲击产生凹坑， 其凹坑的翻边在干砂粒子的冲蚀下易导致碎片状脱落。 Cr3C2-25NiCr 涂层的冲蚀磨损性能较 WC-12Co 涂层的冲蚀磨损性能差，这与冲蚀试验结果是吻合的。从涂层的组织结构看，Cr3C2-25NiCr 涂层的整体致密度较 WC-12Co 涂层的整体致密度小。 致密度较高的涂层其冲蚀磨损性能较好， 而试验结果是WC-12Co 涂层的冲蚀性能较好。 从粉末结构上看，C r3C2-25NiCr 中的粘结相成分达到 25% ， 而WC-12Co 中的粘结相成分只有 12%。 在冲蚀过程中，与碳化物硬质相相接触的粘结相首先被冲蚀脱落，而后发生硬质相及扁平粒子的脱落。 在 Cr3C2-25NiCr和 WC-12Co 涂层的冲蚀过程中，由于 Cr3C2-25NiCr涂层含有较多的粘结相， 在冲蚀过程中粘结相的损失较 WC-12Co 涂层的大， 这是导致 Cr3C2-25NiCr涂层冲蚀率较大的主要原因。 但由于 Cr3C2-25NiCr涂 层 的 致 密 性 较 WC-12Co涂层的好，所 以Cr3C2-25NiCr 涂层冲蚀率与 WC-12Co 涂层冲蚀率相差不大。
超音速火焰喷涂的 Cr32-25NiCr 和 WC-12Co涂层干砂冲蚀磨损试验表明， 随冲蚀角度从 30°增大到 90°，涂层冲蚀率逐渐增大，在 90°达到最大，此冲蚀行为符合脆性材料的冲蚀失效机制[5]。 涂层冲蚀后的表面和断面形貌表明， 涂层的失效行为主要表现为涂层次表面弱的结合处在冲蚀过程中易导致裂纹产生，引发裂纹扩展到表面，产生粒子的层状剥落。 可以认为涂层失效的主要原因是由于扁平粒子间的裂纹产生， 引发扩展后导致一个或多个扁平粒子的剥落。
3 结论
(1) 涂层致密度受粉末结构影响， 团聚烧结粉制备的涂层致密度较高。(2) 涂层冲蚀磨损性能受粘结相含量影响 ，粘结相含量较大的 Cr3C2-25NiCr 涂层， 其冲蚀磨损性能较粘结相含量小的 WC-12Co 涂层差。(3) 涂层的冲蚀磨损性能受致密度影响， 致密度较高的涂层，其冲蚀磨损性能较好。
参考文献略
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