熱噴涂(焊)金屬WC涂層組織、性能及抗磨粒磨損行為研究.pdf

1、傳統鍍硬鉻涂層具有良好的防腐蝕和抗磨損性能，但是，鍍硬鉻會帶來嚴重的環(huán)境污染，隨著社會發(fā)展對環(huán)保要求越來越高，急需尋找一種新的替代鍍硬鉻的表面工程技術。熱噴涂(焊)金屬WC涂層具有優(yōu)異的抗磨損和良好的抗腐蝕性能，在工業(yè)生產中被廣泛地應用到各種需要防腐和抗磨粒磨損的場合。
　　 我國是鎢資源豐富的國家，一方面大量低價出口WC原材料，但是，另一方面，又從國外進口大量價格昂貴的金屬WC噴涂(焊)粉末。為此，本文開展新型金屬WC粉末設計

2、和相應的涂層工藝優(yōu)化，以期得到性能優(yōu)異的金屬WC噴涂(焊)粉末和與之相匹配的噴涂工藝，以替代價格昂貴的進口粉末。對新設計的粉末制備的涂層開展組織、抗磨粒磨損和抗腐蝕性能以及相應的機理研究，為更好地替代鍍硬鉻涂層提供理論和實踐依據。
　　 本文從改變WC粒度及粒度分布的角度，設計了超細、亞微米、微米和雙峰等四種WC-12Co、微米和雙峰兩種WC-10Co-4Cr超音速火焰噴涂粉末和14種WC粒度和添加比例不同的Ni基噴焊粉末。在J

3、P-8000型超音速火焰噴涂系統上，采用正交實驗方法對設計的噴涂粉末開展工藝參數優(yōu)化，每種粉末按L9(34)正交表設定的參數各制備9組涂層；采用成熟的“一步法”氧乙炔火焰噴焊工藝將設計的14種噴焊粉末制成相應的噴焊涂層。采用X衍射儀測試了各粉末和相應涂層的相結構，用掃描電鏡觀察了各粉末的形貌，用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡研究了各涂層的截面和表面組織、結構和形貌，分別測試了這些涂層的抗磨損和腐蝕性能，并與進口粉末制備的涂層和鍍硬鉻涂層

4、進行了對比。得出以下結論：
　　 1.在采用JP-8000型超音速火焰(HVOF)噴涂工藝制備金屬基陶瓷涂層時，參數變化對涂層的相結構影響不大，但對涂層的其它性能卻有不同程度的影響。增大煤油和氧氣的流量、減小噴涂距離以及減小送粉量一般會使涂層的硬度提高、氣孔率降低，但同時也會降低噴涂粉末的沉積效率和涂層的開裂韌性。其中煤油流量對涂層的硬度、孔隙率和開裂韌性影響最大；送粉率對單道次沉積厚度影響最大。根據涂層的制備成本和應用場合對涂

5、層的性能要求，可以分別選擇經濟型(煤油流量22.7L/h，氧氣流量：55.2m3/h，送粉率：75g/min，噴涂距離：380mm)、中檔型(煤油流量24.6L/h，氧氣流量：55.2mm3/h，送粉率：75g/min，噴涂距離：326mm)和高檔型(煤油流量26.5L/h，氧氣流量：59.5L/h，送粉率：75g/min，噴涂距離：326mm)噴涂參數制備相應WC/Co(Cr)涂層。
　　 2.采用HVOF工藝制備WC/Co(

6、Cr)涂層的開裂韌性與硬度成反比，抗磨粒磨損性能與其硬度成正比，因此，當涂層零件所受沖擊力不大時，可以采用提高涂層硬度的方法來提高其抗磨粒磨損性能。
　　 3.采用HVOF工藝制備WC/Co(Cr)涂層時，噴涂粒子中的WC在焰流中氧化分解有直接脫碳和間接脫碳兩種形式，WC的分解程度主要取決于焰流的溫度和性質(氧化焰、中性焰和還原焰)、粒子在焰流中的停留時間、WC粒子的粒度大小和粉末的致密度等因素。焰流溫度越高、粒子在焰流中停留時

7、間越長、WC的粒度越小、WC/Co粉末的粒子越疏松、粘結相的分布越不均勻、并且熔融半熔融的高溫粒子沉積到基體上的冷卻速度越慢，WC的分解脫碳就越嚴重。其中，粘結相分布不均勻既促進了WC的直接氧化分解，又加強了WC的間接氧化分解。WC發(fā)生輕微的脫碳將生成W2C相，脫碳較嚴重時，在涂層中不僅生成W2C相，還會生成W相，其中粘結相Co在涂層中主要以非晶的形式存在。
　　 4.WC/Co(Cr)涂層磨粒磨損失效機理隨磨粒的硬度不同而有所

8、不同，當磨粒是比涂層硬度高的SiC時，涂層的磨損率很大，涂層中的粘結相和硬質顆粒同時被磨粒犁溝和切削，涂層快速微切削磨損。當磨粒是比涂層硬度稍低的SiO2時，屬于過渡區(qū)域磨損，涂層的磨損率較低，但涂層磨損率隨著磨損載荷和磨粒的尺寸增加而增加。其磨損機理是粘結相優(yōu)先被切除，逐漸失去固結作用的WC粒子在磨粒的作用下發(fā)生破碎、松動、直至脫落。
　　 5.WC的粒度及粒度分布對WC/Co(Cr)涂層的性能影響較大。在同種噴涂工藝條件下，

9、當涂層中的WC粒子呈雙峰分布時，相對于其它涂層，該雙峰涂層中的粘結相分布更均勻且其名義自由路徑更小，使得這種雙峰WC/Co(Cr)涂層中WC分解較少、涂層結構更致密、開裂韌性和硬度更高，從而表現出更優(yōu)異的抗磨粒磨損性能。
　　 6.采用超音速火焰噴涂的WC/Co(Cr)涂層，在WC分解不是十分嚴重時，在WC邊緣分布的W2C薄層對涂層的抗磨粒磨損性能并沒有損害。在這種情況下，由于粉末在焰流中熔融相對較充分，涂層結構更致密，反而還會

10、使得這種涂層具有更好的抗磨粒磨損和抗腐蝕性能?？梢?，在WC只發(fā)生輕微脫碳的情況下，涂層中的金屬粘結相分布情況和涂層組織致密度對涂層硬度和抗磨粒磨損的影響更為顯著。
　　 7.對WC-12Co涂層分別在550℃、750℃、950℃和1150℃下進行1h的保護氣氛熱處理，涂層中的W2C和W相逐漸減少直至消失，涂層中逐漸生成Co3W3C、Co6W6C和Co2W4C等η相。這些η相的形核位置一般在W2C與粘結相的交界部位，在這些部位發(fā)生

11、固態(tài)相變所需的元素成分容易通過短程擴散而達到。涂層的硬度和脆性都隨著熱處理溫度的升高呈現出先升高后逐漸降低的趨勢。經過950℃下進行保護氣氛熱處理的WC-12Co涂層具有較高的韌性、硬度和最好的抗磨粒磨損性能。另外，涂層與基體界面元素的擴散速度隨著熱處理溫度的升高而增加，特別在1150℃下進行保護氣氛熱處理后，在涂層與基體的界面發(fā)生大量的元素擴散，在界面靠涂層一側形成接近10μm寬的擴散帶，在基體側形成了尺寸為1～10μm的Kirken

12、dall擴散孔洞。
　　 8.采用氧乙炔火焰噴焊Ni基WC涂層的硬度隨WC添加比例的增加，呈現先增加后降低的變化趨勢，其中采用熔鑄方式添加的細顆粒WC的最佳添加比例為25wt.％，采用機械混合方式添加粗顆粒WC的最佳比例為35wt.％。當噴焊涂層中WC含量相同時，采用機械混合方式添加粗顆粒WC制備的涂層硬度和耐磨粒磨損性能均高于采用熔鑄方式添加的細顆粒WC制備的涂層。在所有Ni基WC噴焊涂層中，WC粒子呈雙峰分布(細顆粒WC與粗

13、顆粒的總量為35wt.％，比例為3:7)的Ni基WC復合噴焊涂層抗磨粒磨損性能最好，均勻分布的金屬粘結相是這種Ni基WC噴焊涂層具有優(yōu)異抗磨粒磨損性能的主要原因。
　　 9.采用HVOF制備的雙峰WC-12Co、WC-10Co-4Cr和氧乙炔火焰工藝制備的雙峰Ni-35WC噴焊涂層的抗磨粒磨損性能和抗腐蝕性能與國外同類涂層抗磨損性能相當甚至更好；與較厚的鍍硬鉻涂層相比，其抗磨粒磨損性能分別提高10.6、9.2和2倍，相應的抗腐蝕