超音速火焰噴涂WC--10Ni硬質(zhì)合金涂層及其水潤滑磨損性能研究.pdf

1、以Ni代Co粘結(jié)相的耐磨WC-Ni硬質(zhì)合金涂層具有更優(yōu)異的耐高溫、抗腐蝕、防輻射等性能，有望在高溫高壓、高濕、腐蝕介質(zhì)、放射環(huán)境工況下服役應(yīng)用。但是，WC-Ni系硬質(zhì)合金涂層作為近年來新發(fā)展起來的涂層體系，遠(yuǎn)沒有WC-Co體系研究成熟，不僅噴涂工藝的研發(fā)不夠深入，而且缺乏在介質(zhì)環(huán)境下的摩擦磨損性能的系統(tǒng)研究。超音速火焰噴涂(High Velocity Oxy-Fuel，HVOF)技術(shù)是制備WC基硬質(zhì)合金涂層的一種主要技術(shù)手段，本文采用H

2、VOF技術(shù)在17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼表面噴涂制備Ni結(jié)WC硬質(zhì)合金涂層，面向涂層在水介質(zhì)環(huán)境下應(yīng)用的水潤滑磨損性能，開展耐磨WC-10Ni涂層制備工藝研究，探索調(diào)節(jié)氧氣與燃料配比O/F值、噴涂角度及氣氛保護(hù)等噴涂工藝參數(shù)對涂層孔隙率、組織結(jié)構(gòu)、相組成的影響規(guī)律，分析涂層顯微硬度、彈性模量、斷裂韌性、界面斷裂韌性等力學(xué)性能，探討HVOF噴涂WC-10Ni涂層水潤滑摩擦磨損行為及其機(jī)理，建立從涂層噴涂工藝到涂層性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提供以

3、提升涂層水潤滑摩擦磨損性能為目標(biāo)的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，為水潤滑耐磨抗蝕硬質(zhì)合金噴涂涂層制造提供理論和技術(shù)支撐。主要研究工作包括以下四個部分:
　　(1)研究了噴涂氧氣/燃料(O/F)比值的影響作用。O/F值是HVOF核心工藝參數(shù)，通過不同氧氣和煤油流量配比的O/F值可調(diào)控噴涂粒子溫度和速度。保持煤油流量為22.7 L/h不變，氧氣流量從811 L/min增大至946 L/min使O/F值由1.1增至1.3，噴涂粒子速度增大、溫度略

4、有降低，WC-10Ni涂層孔隙率由0.86％降至0.78％。維持氧氣流量為811 L/min而降低煤油流量，同樣可使O/F值由1.1增至1.3，噴涂粒子速度和溫度均明顯減小，涂層孔隙率由0.86％增大至4.5％。隨著O/F值的增大，噴涂粒子溫度均有所降低，減輕了WC相的氧化而使涂層中WC相保留率提高，若噴涂粒子速度提高，則有利于進(jìn)一步提高WC相保留率。涂層孔隙率和相結(jié)構(gòu)共同影響了涂層硬度，孔隙率顯著影響較大載荷測試的顯微硬度值，WC相保

5、留率明顯影響小載荷顯微硬度值。涂層硬度、彈性模量和涂層微觀組織結(jié)構(gòu)決定了其斷裂韌性的大小，涂層彈性模量與硬度的比值(E/H)的提高和涂層微觀組織致密度的增大，均提高了涂層的斷裂韌性。
　　(2)研究了噴涂角度的影響作用。對于復(fù)雜形狀零件的表面涂層的制備，噴涂角度是重要的噴涂參數(shù)。降低噴涂角度時，噴涂粒子撞擊基體的法向動能減小，WC-10Ni涂層孔隙率由噴涂角度為90°時的0.86％增大至噴涂角度為30°時的1.68％。降低噴涂角度

6、導(dǎo)致噴涂焰流與零件基體作用面積增大，對沉積粒子形成了過度加熱，而且斜入射噴涂粒子更易鋪展也增大了其與氧氣的接觸面積，因此，隨著噴涂角度的降低，WC相分解量增大。涂層中WC相的保留率由噴涂角度為90°時的82％降低至噴涂角度為30°時的69％。由于涂層孔隙率增大和WC相保留率降低，涂層硬度由90°時的10.8 GPa降低至30°時的9.9 GPa，涂層彈性模量與硬度比值E/H也降低。小角度噴涂涂層中扁平化沉積粒子之間結(jié)合力降低，促進(jìn)了裂紋

7、擴(kuò)展，導(dǎo)致了涂層斷裂韌性的降低。與涂層斷裂韌性相比，涂層的界面斷裂韌性變化趨勢不完全相同，受到涂層殘余拉應(yīng)力和硬度的影響更大。
　　(3)研究了N2氣氛保護(hù)噴涂的影響作用。N2氣氛保護(hù)噴涂抑制WC-10Ni涂層中WC相的氧化分解，同時也影響了涂層微觀組織形貌。采用直接在基體表面通N2保護(hù)進(jìn)行噴涂，WC相的保留率提高了約5％，但N2對噴涂粒子的冷卻作用導(dǎo)致了涂層中沉積粒子之間界面孔隙增多，涂層的孔隙率約為在空氣中噴涂涂層的兩倍，WC

8、相保留率的提高抵消了孔隙率增大對涂層硬度的降低作用，獲得了與空氣中噴涂涂層相近的顯微硬度。然而，在涂層斷裂韌性的壓入測試中，N2保護(hù)噴涂涂層出現(xiàn)沿著沉積粒子之間孔隙擴(kuò)展的裂紋，導(dǎo)致了比空氣中噴涂涂層更低的斷裂韌性。為了控制N2的冷卻作用和增強(qiáng)N2的保護(hù)作用，采用在保護(hù)罩內(nèi)通N2的改進(jìn)氣氛保護(hù)方式，N2在保護(hù)罩內(nèi)阻滯流動不僅減弱了N2對噴涂粒子的冷卻作用，而且阻隔了氧氣的混入，進(jìn)一步提高了WC相的保留率，涂層孔隙率明顯降低，達(dá)到了與在空氣

9、中噴涂涂層相近的水平。
　　(4)對不同工藝涂參數(shù)噴涂的WC-10Ni涂層進(jìn)行了水潤滑摩擦磨損性能評價(jià)，分析了涂層組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對其摩擦磨損行為的影響機(jī)制。較低孔隙率的涂層磨損機(jī)制以粘著磨損為主，伴隨著因少量WC顆粒脫落和破碎造成的輕微磨粒磨損。當(dāng)涂層孔隙率增大時，孔隙周圍基體對WC顆粒的支撐弱化，易造成WC顆粒的脫落及擠壓破碎，磨粒磨損程度有所加重，同時，孔隙率的增加降低了摩擦系數(shù)，對涂層水潤滑減摩有促進(jìn)作用。涂層硬度和涂層