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(tǒng)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(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)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(shù)。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(chǎn)中被廣泛地應(yīng)用到各種需要防腐和抗磨粒磨損的場(chǎng)合。
　　 我國(guó)是鎢資源豐富的國(guó)家，一方面大量低價(jià)出口WC原材料，但是，另一方面，又從國(guó)外進(jìn)口大量?jī)r(jià)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(shè)計(jì)

2、和相應(yīng)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(jià)格昂貴的進(jìn)口粉末。對(duì)新設(shè)計(jì)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(yīng)的機(jī)理研究，為更好地替代鍍硬鉻涂層提供理論和實(shí)踐依據(jù)。
　　 本文從改變WC粒度及粒度分布的角度，設(shè)計(jì)了超細(xì)、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(tǒng)上，采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)設(shè)計(jì)的噴涂粉末開展工藝參數(shù)優(yōu)化，每種粉末按L9(34)正交表設(shè)定的參數(shù)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(shè)計(jì)的14種噴焊粉末制成相應(yīng)的噴焊涂層。采用X衍射儀測(cè)試了各粉末和相應(yīng)涂層的相結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和形貌，分別測(cè)試了這些涂層的抗磨損和腐蝕性能，并與進(jìn)口粉末制備的涂層和鍍硬鉻涂層

4、進(jìn)行了對(duì)比。得出以下結(jié)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(shí)，參數(shù)變化對(duì)涂層的相結(jié)構(gòu)影響不大，但對(duì)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(huì)使涂層的硬度提高、氣孔率降低，但同時(shí)也會(huì)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(duì)涂層的硬度、孔隙率和開裂韌性影響最大；送粉率對(duì)單道次沉積厚度影響最大。根據(jù)涂層的制備成本和應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)涂

5、層的性能要求，可以分別選擇經(jīng)濟(jì)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(shù)制備相應(yīng)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(dāng)涂層零件所受沖擊力不大時(shí)，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(shí)，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(zhì)(氧化焰、中性焰和還原焰)、粒子在焰流中的停留時(shí)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(shí)

7、間越長(zhǎng)、WC的粒度越小、WC/Co粉末的粒子越疏松、粘結(jié)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(yán)重。其中，粘結(jié)相分布不均勻既促進(jìn)了WC的直接氧化分解，又加強(qiáng)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(yán)重時(shí)，在涂層中不僅生成W2C相，還會(huì)生成W相，其中粘結(jié)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(jī)理隨磨粒的硬度不同而有所

8、不同，當(dāng)磨粒是比涂層硬度高的SiC時(shí)，涂層的磨損率很大，涂層中的粘結(jié)相和硬質(zhì)顆粒同時(shí)被磨粒犁溝和切削，涂層快速微切削磨損。當(dāng)磨粒是比涂層硬度稍低的SiO2時(shí)，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(jī)理是粘結(jié)相優(yōu)先被切除，逐漸失去固結(jié)作用的WC粒子在磨粒的作用下發(fā)生破碎、松動(dòng)、直至脫落。
　　 5.WC的粒度及粒度分布對(duì)WC/Co(Cr)涂層的性能影響較大。在同種噴涂工藝條件下，

9、當(dāng)涂層中的WC粒子呈雙峰分布時(shí)，相對(duì)于其它涂層，該雙峰涂層中的粘結(jié)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(jié)構(gòu)更致密、開裂韌性和硬度更高，從而表現(xiàn)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(yán)重時(shí)，在WC邊緣分布的W2C薄層對(duì)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(duì)較充分，涂層結(jié)構(gòu)更致密，反而還會(huì)

10、使得這種涂層具有更好的抗磨粒磨損和抗腐蝕性能。可見，在WC只發(fā)生輕微脫碳的情況下，涂層中的金屬粘結(jié)相分布情況和涂層組織致密度對(duì)涂層硬度和抗磨粒磨損的影響更為顯著。
　　 7.對(duì)WC-12Co涂層分別在550℃、750℃、950℃和1150℃下進(jìn)行1h的保護(hù)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(jié)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(kuò)散而達(dá)到。涂層的硬度和脆性都隨著熱處理溫度的升高呈現(xiàn)出先升高后逐漸降低的趨勢(shì)。經(jīng)過950℃下進(jìn)行保護(hù)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(kuò)散速度隨著熱處理溫度的升高而增加，特別在1150℃下進(jìn)行保護(hù)氣氛熱處理后，在涂層與基體的界面發(fā)生大量的元素?cái)U(kuò)散，在界面靠涂層一側(cè)形成接近10μm寬的擴(kuò)散帶，在基體側(cè)形成了尺寸為1～10μm的Kirken

12、dall擴(kuò)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(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中采用熔鑄方式添加的細(xì)顆粒WC的最佳添加比例為25wt.％，采用機(jī)械混合方式添加粗顆粒WC的最佳比例為35wt.％。當(dāng)噴焊涂層中WC含量相同時(shí)，采用機(jī)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(xì)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(xì)顆粒WC與粗

13、顆粒的總量為35wt.％，比例為3:7)的Ni基WC復(fù)合噴焊涂層抗磨粒磨損性能最好，均勻分布的金屬粘結(jié)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(guó)外同類涂層抗磨損性能相當(dāng)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(yīng)的抗腐蝕