热喷涂 WC 基金属陶瓷涂层的激光改性研究
尹志坚，傅卫，谭兴海等
【摘要】：本工作研究了 CO2激光重熔处理对超音速火焰喷涂 WC-Co 和 WC-NiCr 涂层的组织结构和摩擦学行为的影响。结果表明：选定优化参数下，激光重熔可降低涂层气孔率，提高涂层显微硬度，涂层与基材之间实现冶金结合；干摩擦条件下，涂层经过激光重熔处理耐磨性能显著提高；但润滑条件下劣于未经重熔处理涂层，这可能与未重熔涂层含有较多的气孔，可存储润滑油较好地发挥润滑效果有关。
【关键字】：激光重熔，HVOF 喷涂，WC 涂层，硬度，摩擦磨损
1. 引言
WC 基（如 WC-Co, WC-NiCr, WC-CoCr 等）热喷涂金属陶瓷涂层因其优良的耐磨、抗腐蚀等性能，业已在钢铁、纺织、化工和航空航天等领域的构件制造、加工和表面修复中获得了广泛应用[1-3]。如，作为冷轧热镀锌机组关键部件的沉没辊和稳定辊表面经热喷涂工艺沉积 WC-Co 涂层，耐磨、抗蚀和服役表现显著改善[4]。
制作 WC 基金属陶瓷涂层的热喷涂工艺主要是等离子喷涂和超音速火焰喷涂。等离子喷涂时，虽然高温等离子体焰流可较好地保证粉料的熔化状态，但同时易导致 WC 硬质相的脱碳、分解和烧损，致使涂层的硬度、结合强度和致密性降低[1]。与之相比，上世纪 80 年代中期出现的超音速火焰喷涂技术（High Velocity Oxygen Fuel, HVOF）[5]，一方面由于采用燃气与氧气的燃烧作为热源，焰流温度较低，使得喷涂过程中 WC 的氧化和脱碳分解大为减轻；另一方面由于利用了 Laval 喷管的原理，把燃气焰流的速度提高到数倍的音速，这有效地加强了喷涂粒子撞击基体时的能量转换和流散，有利于涂层组织结构和性能的改善。超音速火焰喷涂 WC-Co 涂层的产业化应用得到了迅速的发展[3]。但热喷涂层的形成机制决定了涂层与基材之间的机械弱结合，且含有一定量气孔和裂纹[6,7]，这在一定程度上限制了超音速火焰喷涂 WC 基涂层在重载荷，交变载荷或高热应力场合等苛刻条件下的应用。例如，酸轧拉矫机组的弯曲辊采用表面超音速火焰喷涂 WC-Co 金属陶瓷涂层后，虽然相比于原设计采用表面淬火，服役寿命有所提高，但与基材之间的机械弱结合使得涂层的耐磨性能不能充分发挥，难以得到产业化推广。
因此，如何进一步改善超音速喷涂 WC 基涂层的结构和性能，已成为表面工程领域的热点研究课题，合适的涂层后处理技术被认为是较有效的手段之一。与炉内热处理[8]、浸渍密封[9]等常规涂层后处理技术相比，激光重熔工艺因其不受材料种类限制、易实现局部处理、重熔层深度可控等固有的优点获得较多的关注，但用于超音速喷涂 WC 基涂层改性的研究尚少[10-12]。本工作着重探讨激光重熔对超音速火焰喷涂 WC-Co 和 WC-NiCr 涂层的组织结构、硬度和耐磨性能的影响。
2. 实验
2.1. 喷涂材料与工艺
采用了三种市售碳化物金属陶瓷粉，成分见表 1。粉末由团聚烧结工艺制得，形貌呈球形，粒径范围：15～45 μm；采用美国 Praxair/TAFA 公司的JP8000HP/HVOF 高速火焰热喷涂系统进行热喷涂，制备涂层试样。试样为 20×40×60 mm 的 316L 不锈钢板，在 40×60 的面上喷涂。热喷涂参数列于表 2。试样回转速度：38rpm，枪移动速度：6mm/r，单道涂层厚度：0.03～0.04mm，最终涂层厚度：0.5mm。
2.2. 热喷涂涂层试样的激光改性
用 CO2激光器（5kW）对热喷涂涂层试样进行激光表面处理，使用的激光参数如表 3 所列。激光处理时吹氩气进行保护。
2.3. 涂层结构分析
对热喷涂涂层试样和激光改性试样用光学显微镜和 SEM－EDS 镜进行观察分析。
2.4. 涂层性能表征
采用 HV-1000 显微硬度测试仪在涂层和重熔处理后涂层试样的抛光截面上进行了硬度测试，选用载荷 0.98N，保载时间 15 s。采用济南材料试验机厂生产的 MM-200 型环-块式摩擦磨损试验机，进行干摩擦和油润滑磨损试验。块试样尺寸为 6×7×30 mm，环试样标准尺寸为 Ф40×10 mm。磨程按 30min定时。试验转速为 0.42m/s，载荷有 50，150，200，350N 四种。摩擦示意如图 1 所示。
3. 结果与讨论
3.1. 3.1 微观组织
图 2 给出涂层在激光功率（2250W）和不同扫描速度（60～150mm/min）重熔处理后的表面形貌，可见涂层表面层熔化状态良好。注意到在一些激光扫描道的出口端有裂纹（图 2c、d），通过优化扫描速度和采用乙炔焰流预热基体至 250°C 左右可有效防止裂纹出现。
图 3 给出了激光重熔前后 S1 涂层的 OM 形貌。可见，涂层内部的孔隙和裂纹在经过激光重熔后得到明显的改善，重熔层的组织更加致密。图 3b 显示重镕后涂层中出现一些较大的孔隙（尺寸达15μm），这是涂层重熔后凝固过程中形成的缩孔[13]。图 4 是涂层重熔处理前后的腐蚀样 SEM 形貌，可看到，重熔后涂层的物相形貌差异较大。重熔前涂层呈现球状 WC 硬质相弥散分布在 Co 合金相中，而重熔后涂层中出现不规则相和枝状晶相，其成分可能为 WC 和 CoxWxC 的混合相[13]。重熔时热量主要通过空气以及基体来扩散，造成垂直于界面的方向上温度梯度最大，这是形成枝状晶的主要原因[14]，从图 7 所示形貌也可得到证实。这些 WC 和 CoxWxC 的混合相以及枝状晶相的存在有利于提高涂层组织均匀性和硬度[15]。
图 5 给出了 HVOF 喷涂 S2 涂层重熔前后的未腐蚀样 SEM 形貌。重熔前呈现典型的热喷涂层状结构特征，重熔后涂层气孔率降低，组织更为致密。EDS 进一步分析（图 6）得到类似于图 4 分析结果，重熔层中出现 WC 和溶有 Cr，Ni，W 的 WC 相。
图 7 给出了 S2 涂层与基体界面区域的形貌和 EDS 分析，可见，涂层中出现不规则形状和枝状晶相。EDS 结果显示近基体区域，涂层含有较高含量的 Fe，表明形成了元素扩散，涂层与基体之间实现了冶金结合。涂层与基材之间结合强度的提高有利于改善涂层的抗冲击和耐磨性能。
3.2. 硬度与磨损性能
表 4 给出了 S1 涂层的显微硬度测试值，可以看到，重熔处理后涂层的硬度值均有一定的提高，这与其组织结构致密性改善有关。
S1 在干滑动和润滑条件下的摩擦学行为见图 8 和 9。可见，干滑动摩擦条件下，重熔对摩擦系数的影响不明显（图 8），但显著改善涂层的耐磨性能（图 9a）。但在润滑摩擦条件下，重熔处理涂层的耐磨性能劣于重熔涂层（图 9b），这可能是未经激光处理的 WC-Co 涂层的孔隙较高，可起存储润滑剂作用，从而改善更好地发挥了润滑效果。
4. 结论与展望
选用合适的激光重熔参数，超音速火焰喷涂 WC-Co 和 WC-NiCr 金属陶瓷涂层经激光重熔处理后气孔率降低，硬度提高。物相分析显示激光重熔后涂层中出现了溶有 WC 的合金相，呈不规则和枝晶状，这些新相的形成有利于涂层组织均匀性和耐磨性能的提高。从电镜分析结果可知，重熔过程中涂层与基体之间元素充分扩散，实现了冶金结合。与不锈钢材料干滑动摩擦条件下对磨，激光重熔处理涂层显示出更优异的耐磨性能，但在润滑摩擦条件下，未重熔处理涂层磨损系数较低，这可能与未处理热喷涂层含有一定量气孔率，可存储润滑油更好地发挥润滑效果有关。
参考文献略
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