三种热喷涂工艺制备WC/Co涂层性能比较
鲍君峰,于月光,刘海飞,曾克里,任先京
有色金属(冶炼部分)
热喷涂WC-Co涂层,基于其优越的耐磨性,已成为广泛应用的耐磨涂层之一。直到20世纪80年代中期,喷涂该涂层所用的方法主要是常规等离子喷涂法。等离子喷涂的最大特点是,其焰流温度高达13 000 K,可以熔化像陶瓷类的高熔点材料。然而,常规等离子在喷涂WC-Co材料时,由于WC颗粒的过热,WC相会发生较严重的脱碳现象[1-4]。影响WC脱碳分解的主要因素是温度、喷涂颗粒的高温停留时间和颗粒飞行行程中的氧化性环境[5]。目前高能、高速已成为热喷涂技术发展的方向,相继出现了爆炸喷涂(Detonation Spraying)、超音速火焰喷涂(HVOF)等技术,这些方法都是通过大幅度提高喷涂颗粒的速度来获得高质量的涂层[6]。
本文分别采用3种不同的喷涂工艺制备WC-12Co涂层,研究不同工艺对制备涂层过程中脱碳氧化的倾向性,以及对涂层显微组织结构、相结构、涂层性能等的影响进行探讨。
摘要:分析比较了常规大气等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂的WC/Co涂层的形貌、显微组织、孔隙率、硬度、结合强度及其耐磨性。结果表明,超音速火焰喷涂和爆炸喷涂层性能相当,涂层具有与粉末相近的相结构,与大气等离子喷涂相比,涂层具有高的致密度、硬度和良好的耐磨性,涂层与基体的结合情况也得到很大的改善。
关键词:等离子喷涂;爆炸喷涂;超音速火焰喷涂;性能;耐磨性
1 涂层的制备
1·1 试验材料与预处理
试验用粒度范围为- 0·044 mm~ + 0·038mm、呈球状的WC-12Co喷雾干燥粉末,基体材料为45#钢。金相和性能检测试样尺寸为25 mm×16mm×6 mm,胶结拉伸测结合强度试样尺寸为Φ25·4 mm×60 mm。喷涂前对试样待喷涂表面的油污用80#汽油清洗,待其自然挥发干后再用丙酮清洗试样表面,然后用0·833 mm的棕刚玉砂对基体表面进行吹砂粗化处理。
1·2试验方法
采用当前在国内外应用较广泛的Metco·9M普通等离子喷涂设备(采用GP喷嘴,氩气为送粉气)、Dnepr-Ⅲ型爆炸喷涂设备(送粉气空气)与JP-5000型超音速火焰喷涂设备(喷嘴长度152·4 mm,氮气为送粉气)制备WC-12Co涂层试样。三种工艺制备涂层的工艺参数如下:
等离子喷涂工艺参数:喷涂距离120 mm、电压71 V、电流555 A、氩气压力0·54 MPa、氩气流量3·11 m3/h、氢气压力0·38 MPa、氢气流量0·28m3/h、送粉气压0·54 MPa、送粉气流量0·51 m3/h、送粉量50 g/min。
爆炸喷涂工艺参数:喷涂距离180 mm、乙炔压力0·1 MPa、乙炔流量1 m3/h、氧气压力0·4 MPa、氧气流量1·25 m3/h、空气压力0·2 MPa、空气流量0·8 m3/h、爆炸频率4次/s、线速度2·4 m/min、送粉量25 g/min。
超音速火焰喷涂工艺参数:喷涂距离380 mm、氧气压力1·4 MPa、氧气流量108 m3/h、煤油压力1·2 MPa、煤油流量22·5 L/h、氮气压力0·6 MPa、氮气流量0·64 m3/h、送粉量76 g/min。
2 试验结果与讨论
2·1 粉末SEM形貌
图1为粉末的SEM形貌图,可以看到,采用喷雾干燥法制备的粉末呈球状,表面粗糙多孔。XRD分析表明,WC-12Co粉末只含有WC和Co二种相。
2·2 涂层的X-衍射相结构分析
图2为三种涂层XRD衍射图谱,从中可以看到3种工艺制备的WC-12Co涂层的衍射谱中都不同程度的出现了W2C相及CoxWyC(η)相,JP-5000喷涂层与Dnepr-Ⅲ喷涂层的X-衍射结果与原始粉末接近,只有少量的W2C和含钴亚稳定碳化物,这说明用超音速火焰喷涂过程中,材料各成分损失减少,WC几乎不发生脱碳现象,证明射流速度的提高对抑制WC的分解和氧化的效果明显;而Metco·9M喷涂层含有较多的W2C和一些含钴的亚稳态碳化物杂峰,说明在普通等离子喷涂过程中,WC颗粒脱碳较为严重。这一结论与许多研究者的结果是相吻合的[3,7-8]。
2·3 三种涂层的SEM组织形貌与孔隙率分析
图3显示了三种涂层的断面SEM形貌。可看出经JP-5000制备的涂层无明显的分层、裂纹和较大的空洞等缺陷存在,涂层与基体结合良好,界面没有明显的缺陷;Dnepr-Ⅲ喷涂层与JP-5000喷涂层形貌相似;而Metco·9M喷涂层显示出组织结构十分疏松,有明显裂纹和较严重孔隙,涂层与基体界面也存在较多的缺陷,相对JP-5000和Dnepr-Ⅲ喷涂层而言,涂层质量明显较差。用灰度法处理测得三个涂层的孔隙率,JP-5000涂层的孔隙率最低,平均0·98%;Dnepr-Ⅲ喷涂层孔隙率与JP-5000喷涂层接近,平均1·12%;而Metco·9M喷涂层的孔隙率最高,平均12%,是JP-5000和Dnepr-Ⅲ喷涂层的10倍以上。这个结果说明喷涂颗粒的飞行速度是控制涂层孔隙率的重要因素之一。
2·4 三种涂层的显微硬度和结合强度
热喷涂工艺方法对涂层显微组织结构有很大的影响,必然会带来涂层硬度和结合强度的不同。图4的测试结果证实了这一点。可以看到,JP-5000喷涂层和Dnepr-Ⅲ喷涂层相关测试数据基本接近,但都明显优于普通等离子喷涂,涂层硬度和结合强度提高的主要原因是涂层质量得到显著提高。
2·5 三种涂层的耐磨性
图5显示了上述三种涂层分别在30(°)和90(°)二种攻角下的抗冲蚀曲线,由图5可知,Dnepr-Ⅲ喷涂层冲蚀失重略低于JP-5000喷涂层,但都明显低于Metco·9M喷涂层,这说明Dnepr-Ⅲ喷涂层和JP-5000喷涂层的耐冲蚀性能相当且都明显优于Metco·9M喷涂层。这一结果证实了在喷涂WC/Co涂层材料时,超音速火焰和爆炸热喷涂工艺方法远远优于等离子热喷涂方法。而三种工艺制备的涂层在90(°)攻角下的冲蚀失重又明显高于攻角30(°)的失重量,说明WC-Co涂层为典型的脆性材料,因为根据冲蚀率随攻角变化把材料的冲蚀破坏分为两类:即塑性材料和脆性材料的冲蚀破坏。当粒子攻角为20~30(°)时,典型的塑性材料冲蚀率达到最大,而脆性材料的最大冲蚀率出现在接近90(°)处。
3 结论
(1)Metco·9M喷涂WC/Co涂层过程中,WC粉末在高温等离子射流中易发生氧化、脱碳和烧损,致使涂层性能较差;
(2)JP-5000依赖于高的喷涂颗粒飞行速度和相对较低的火焰流温度,在喷涂WC/Co涂层时,可以有效的抑制WC在喷涂过程中的分解,获得的涂层致密、结合强度高、硬度高、耐磨性能良好;
(3)Dnepr-Ⅲ喷涂层与JP-5000喷涂层性能相当,采用这二种工艺制备WC/Co涂层,综合性能明显优于Metco·9M。
图略
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
