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噴涂距離對等離子噴涂WC-12Co涂層抗沖蝕磨損性能的影響

2018-01-23 14:35:28 作者：本網整理來源：中國表面工程分享至：

0 引　言

近年來，熱噴涂技術已經被廣泛應用于制備不同工況條件下材料表面的沖蝕磨損防護涂層，主要利用其對基體熱影響小、設備簡單以及生產效率高等優點，目前已取得了較好的效果。熱噴涂WC-Co涂層是一種在高溫焰流作用下以WC作為硬質相，Co作為粘結相形成的一種硬面涂層。由于Co對WC有很好的潤濕性，當溫度升高到一定值時，WC能溶解在Co中，溫度降低時又形成WC骨架。所以WC可用Co作為粘結相進行高溫燒結或復合，使得WC-Co涂層具備高硬度和良好柔性，使得材料表面有效推延沖蝕破壞的孕育期，抑制或減少沖蝕磨損破壞。

大氣等離子噴涂（APS）過程涉及極為復雜的等離子電弧的傳熱與流動、粉末粒子與等離子射流之間以及熔融粒子與基體之間的相互作用，這使得涂層綜合性能對噴槍類型、噴涂距離極為敏感。劉延寬等人運用Fluent軟件對HVOF焰流進行仿真模擬，揭示噴涂過程中焰流速度、溫度對粒子速度和溫度的影響。文魁等人采用SprayWatch3i在線監測系統測量了F6大氣等離子噴槍在不同噴嘴條件下產生的等離子射流中Al2O3-3TiO2粒子的溫度和速度，研究了粒子的扁平化程度及涂層性能。在噴涂過程中，粒子速度與溫度之間的關系是相互矛盾的，在同等噴涂距離下，若要增加粒子的飛行速度，粒子加熱的時間就會縮短，降低了粒子的溫度；若要增加粒子的溫度，粒子的速度就會降低。所以在噴涂過程中，需要獲得較好的粒子溫度與速度的配合（即合適的噴涂距離）才能獲得高質量涂層。

WC-12Co硬質涂層由于具有良好的耐磨耐蝕性能，被廣泛應用到工業的各個方面。V·Bonache等人采用等離子噴涂制備微米結構與納米結構粉末的WC-Co涂層，研究發現電流為625 A時，微米結構的WC-Co涂層在45°沖蝕角下失重率大于大于90°沖蝕角。王海軍等人采用HVOF法制備WC-Co涂層，研究了沖蝕角30°與90°下WC-Co涂層的沖蝕磨損性能，研究發現沖蝕角為90°時失重率大于30°，其涂層的失效形式是涂層疲勞剝落。李陽等人利用HVOF法制備WC-Co-Cr涂層，分析了涂層孔隙和層狀結構等缺陷對15°、45°、75°和90°攻角下的料漿沖蝕行為。目前，就不同工藝參數對等離子噴涂制備WC-Co涂層性能研究報道較多，主要集中于電流與主氣流量方面；涂層抗沖蝕磨損性能研究主要集中于不同沖蝕角度對其的影響。文中以Q235鋼為基體采用等離子噴涂制備WC-12Co涂層，研究不同噴涂距離對涂層顯微組織、力學性能及抗沖蝕磨損能力的影響，通過測量不同噴涂距離下粒子速度與溫度，揭示粒子溫度與速度對涂層性能的影響，并探討WC-12Co涂層沖蝕磨損的機理。

1 試　驗

1.1 涂層的制備

基體為Q235鋼，粘結拉伸試驗采用Φ 20 mm×6 mm試樣，沖蝕磨損試驗采用30 mm×40 mm×5 mm試樣。噴涂時粘結層選用NiCr5Al粉末，粒度為25~45 μm，其質量分數為：5%Al，余量為NiCr。采用噴霧造粒獲得WC-12Co球形團聚粉，粉末SEM形貌如圖1所示。WC顆粒通過Co黏結相團聚成球形，WC-12Co粉末的粒度分布均勻、且表面光滑，流動性能較好。粒度25~45 μm，流動性20.1 s/50 g，松裝密度4.4 g/cm3，其組成（質量分數/%）為：88.0WC，12.0Co，噴涂前所有粉末進行烘干處理。噴砂及等離子噴涂參數見表1。噴涂前將Q235基體表面打磨平整，超聲波清洗凈化30 min，清除油污及鐵銹，而后用粒徑為0.5~1.0 mm棕剛玉噴砂粗化處理，噴砂后用過濾的潔凈壓縮空氣將基體表面雜質和浮塵吹除，2 h內完成等離子噴涂試驗。涂層制備采用上海大豪納米材料噴涂有限公司生產的DH-2080型等離子噴涂系統，圓柱形噴嘴內孔徑為6 mm。

圖 1 WC-12Co粉末的微觀形貌

表 1 噴砂和等離子噴涂工藝參數

Process	Parameters	Values
Grit-blasting	Air pressure / MPa	0.4
	Blasting distance / mm	200
	Blasting angle / (°)	90
APS	Current / A	350
	Gun traverse speed / (mm·s⁻¹)	60
	Powder feeder rate / (g·min⁻¹)	60
	Argon volume flow / (L·h⁻¹)	2 500
	Hydrogen volume flow / (L·h⁻¹)	100

1.2 涂層的分析與表征

采用LED-1430VP掃描電鏡（SEM）觀察涂層截面形貌。采用D&Advance型號衍射儀測定涂層物相成分，其基本參數：陽極靶為Cu靶，管電壓40 kV，管電流30 mA，掃描速度2°/min，掃描范圍為20°~80°，步長為0.02°。涂層成分測定采用OXFORD-2000型能譜儀。Spray Watch 2i熱噴涂在線監測系統用于測量等離子射流中飛行粒子的溫度和速度。孔隙率測定采用圖像灰度法。采用HXD-1000TB維氏硬度儀對涂層顯微硬度及韌性進行測定，硬度及韌性均采用0.5 kg載荷。壓痕韌性的計算方法如式（1）：

KIC=0.113H?D1/2（1+CL/2D）3/2KIC=0.113H?D1/2（1+CL/2D）3/2 （1）

式中，H為涂層維氏硬度，GPa；D為維氏壓痕對角線長，μm；CL為壓痕四角延伸出的裂紋長之和，μm。涂層的結合強度測定按照GB/T 9793-2012標準進行，采用E-7膠將涂層試樣與噴砂后的Q235鋼對偶件粘接，經3 h固化后，通過萬能材料試驗機測定涂層的結合強度。沖蝕磨損試驗采用自制的干砂型常溫沖蝕磨損試驗機進行，選取新疆當地黃沙，其成分與微觀形貌如表2和圖2所示，沙粒形狀不規則，大部分呈尖角狀。角度（0°~90°）利用自制的沖蝕夾具進行調節。采用型號FA2004精度為0.1 mg的電子天平稱量試樣的沖蝕磨損失重，沙粒流量為250 g/min，每4 min測量一次，計算得到單位面積上的失重量。

表 2 沙粒的主要化學成分

Element	O	Al	Si	Ca	Fe
Mass fraction / %	48.99	8.92	27.51	2.14	4.94

圖 2 550 μm （30目）沙粒的微觀形貌

2 結果與分析

2.1 噴涂距離對涂層相結構的影響

圖3為粉末與不同噴涂距離下涂層的XRD圖譜。通過對比不同噴涂距離的涂層衍射結果可以看出，4種涂層的主要組成相為WC相，并且涂層中都有一定量的W2C相與脆硬相Co6W6C相，說明涂層中WC已經出現不同程度的氧化脫碳（2WC+O2→W2C+CO2; 2WC→W2C+CO），生成W2C相。通過對比W2C主峰（101）晶面（2θ=39.6°，d=0.227 nm）與WC主峰（100）晶面（2θ=35.7°，d=0.251 nm）的峰高比表3可以看出，噴涂距離為120 mm涂層的W2C/WC峰高比最大，130 mm與140 mm涂層的W2C/WC峰高比最小。說明當噴涂距離為120 mm時脫碳行為最為嚴重，噴涂距離130 mm與140 mm時脫碳程度最輕。通過EDS分析不同噴涂距離下涂層C的質量分數分別為9.54%，4.67%，12.23%和12.19%。噴涂距離為120 mm時涂層C的質量分數最低，進一步說明WC氧化脫碳嚴重。

圖 3 不同噴涂距離下涂層XRD圖譜

2.2 噴涂距離對涂層截面顯微組織的影響

圖4為不同噴涂距離的涂層截面SEM形貌。由圖中可以看出，噴涂距離為120 mm時，涂層沉積厚度最大，涂層厚度約為458 μm（見表3），孔隙率為11.73%，且涂層內部存在一尺寸較大的孔洞。噴涂距離為110 mm和130 mm時，涂層比較致密，孔隙率分別為3.91%和4.04%。噴涂距離為110 mm時，涂層的沉積效率較130 mm時更低，沉積厚度分別為275 mm和361 mm，二者沉積厚度均符合作者設計要求。噴涂距離為140 mm時，涂層沉積效率最差，涂層厚度約220 mm且孔隙率也較大。通過測量4種涂層不同位置的孔隙率看出，涂層近表面處孔隙率較涂層內部孔隙率更大一些。

圖 4 不同噴涂距離下涂層的截面SEM形貌

2.3 噴涂距離對涂層力學性能的影響

通過不同距離下涂層結合強度和韌性（見表3）的對比，噴涂距離為130 mm時涂層韌性與涂層結合強度均最好，噴涂距離為140 mm時涂層韌性與涂層結合強度較差。圖5為不同距離下涂層的壓痕裂紋擴展形貌噴涂距離為110 mm時，涂層較為致密，但是脫碳程度相對較高，WC的氧化脫碳使得涂層韌性有所下降。噴涂距離120 mm時涂層脫碳較為嚴重，孔隙率較大，在壓頭垂直載荷下涂層出現坍塌現象，壓痕周圍細小裂紋較多（圖5（b）），加之嚴重的脫碳，涂層韌性下降較快。涂層孔隙率增大，壓痕對角線長度增加，該噴涂距離下涂層的顯微硬度最低（約907 HV0.5）。噴涂距離為130 mm時，涂層的壓痕裂紋擴展形貌（圖5（c））中涂層擴展裂紋最少，壓痕面積較小，涂層顯微硬度可達1 309 HV0.5（表3），涂層韌性較好。通過對比涂層的結合強度（表3）得知，噴涂距離為130 mm時涂層扁平粒子間的結合力較大，在壓頭垂直載荷作用下，裂紋的擴展能力較弱，從而使得該噴涂距離下涂層壓痕裂紋數量較少。噴涂距離為140 mm時涂層力學性能最差，隨著噴涂距離的增大，高溫熔滴的速度大大降低，粒子的動能不斷減小，這是導致涂層力學性能及組織結構均較差的原因。

圖 5 不同距離下涂層的壓痕裂紋擴展形貌

2.4 涂層沖蝕磨損性能

圖6為不同噴涂距離下涂層的沖蝕磨損量隨沖蝕時間的變化曲線，沖蝕磨損參數為沖蝕角30°，550 μm（30目），沙粒速度為13.33 m/s。對比4種涂層的沖蝕磨損量，噴涂距離130 mm時涂層抗沖蝕磨損能力最好，110 mm與120 mm次之，噴涂距離140 mm時涂層耐沖蝕磨損能力最差。在沖蝕時間為1~4 min時間段內，磨損量增長幅度較大，4~8 min內磨損量增長幅度減緩，8 min以后涂層沖蝕磨損量增長緩慢。噴涂距離為130 mm時涂層表現出優異的抗沖蝕磨損能力，主要是因為該參數下涂層組織致密，涂層顯微硬度、韌性以及結合強度較好。噴涂距離為120 mm時，由于涂層孔隙率較大，涂層脫碳嚴重，主相WC的量減少，而硬脆相Co6W6C增多，從而使得涂層耐磨性下降。

圖 6 不同噴涂距離下涂層的沖蝕磨損量

圖7為不同沙粒直徑下涂層的沖蝕磨損量隨沖蝕時間的變化曲線，采用噴涂距離為130 mm時制備的涂層，沖蝕角90°，沙粒速度為13.33 m/s。通過3種不同沙粒直徑下涂層沖蝕磨損量的對比，0~12 min時，270 μm（50目）沙粒沖蝕磨損量最大，12 min以后550 μm（30目）沙粒磨損逐漸增大，20 min時270 μm（50目）與212 μm（70目）沙粒沖蝕磨損量接近。由于涂層近表面處孔隙率大于涂層內部，在0~12 min時270 μm（50目）沙粒能獲得較大的沖蝕量，隨著近表面處孔隙率較大且疏松的涂層剝落以后，沖蝕量也逐漸減緩。而550 μm（30目）沙粒能夠持續獲得較大動能，與涂層相互撞擊時對涂層產生的沖擊力較大，從而能獲得較為平穩的沖蝕磨損率。

圖 7 不同沙粒直徑下涂層的沖蝕磨損量

圖8為不同沙粒速度下涂層的沖蝕磨損量隨沖蝕時間的變化曲線，基本參數為噴涂距離130 mm，沖蝕角90°，550 μm（30目）。沙粒速度15.68 m/s時沖蝕磨損量大于速度為13.33 m/s時的磨損量。沖蝕磨損量與沙粒的速度存在如式（2）關系：

V=Kv0nV=Kv0n （2）

式中：v0為粒子速度，m/s，n為常數。在正向沖擊條件下，陶瓷材料n值約為3。通過式（2）得知，涂層沖蝕磨損量隨著沙粒速度的增大而增大，與試驗結果一致。資料表明，沙粒的速度對涂層的沖蝕機理沒有影響。

圖 8 不同沙粒速度下涂層的沖蝕磨損量

圖9為不同沖蝕角度下涂層的沖蝕磨損量隨沖蝕時間的變化曲線，試驗參數：噴涂距離為130 mm，550 μm（30目），沙粒速度13.33 m/s。在沖蝕到20 min時，沖蝕角為60°時沖蝕磨損量最大，沖蝕角90°時沖蝕磨損量次之，沖蝕角為30°時沖蝕磨損量最小。在0~4 min時，30°與90°沖蝕磨損量增長較為緩慢，而沖蝕角為60°時沖蝕磨損量增長較快。

圖 9 不同沖蝕角度下涂層的沖蝕磨損量

3 討論

圖10為粒子速度與溫度隨噴涂距離變化曲線。由圖看出粒子溫度在120 mm處達到最大，100~120 mm之間溫度增長較快，120 mm以后粒子溫度緩慢降低。粒子速度在100 mm處最大約為315 m/s，100~150 mm之間粒子速度呈遞減趨勢，140 mm處粒子速度下降較快。WC熔點為2 776 ℃，WC在低于室溫到2 776 ℃的溫度范圍內都是穩定的。噴涂距離110 mm到140 mm的粒子溫度都高于2 776 ℃，理論上該范圍內粒子可以完全熔化。但事實上WC并不能完全熔化，受等離子射流向粉末粒子傳熱能力的大小及粉末粒子自身的熱導率，粒子在射流中停留時間較短（約10?3 s）。

圖 10 噴涂距離對飛行粒子溫度與速度的影響

文獻中提出，熔滴的飛行速度及溫度是影響涂層的結構和性能的兩個重要參數。在噴涂過程中，噴涂粉末經歷加速、熔化和撞擊這3個過程，高速飛行的高溫熔融粒子在撞擊基體或先沉積扁平粒子的瞬間，具有良好的熔化和扁平狀態是保證涂層具有高的致密結構和結合強度的重要因素。等離子焰流的速度與溫度沿軸線截面呈高斯分布，焰流中心速度、溫度高。圖11為不同噴涂距離下涂層表面形貌，120 mm處粒子溫度最高且速度相對較大，扁平化粒子基本全部熔化，邊緣呈濺射狀。130 mm粒子基本熔化，粒子扁平化程度好，邊緣無濺射狀。110 mm與140 mm粒子未充分熔化，110 mm粒子熔化程度稍好于140 mm粒子，可以看到扁平粒子中心有未熔化WC顆粒。

圖 11 不同噴涂距離下涂層的表面形貌

110 mm粒子飛行速度快，在等離子焰流中停留時間較短而沒有完全熔化，上層扁平粒子中未熔化WC顆粒對下層扁平粒子不斷沖擊作用，致使涂層致密度較高，沒有明顯孔隙。但由于涂層離噴嘴較近，等離子焰流對涂層再次加熱，致使該距離下涂層氧化脫碳，脆相W2C增多，柔韌相Co部分被消耗，降低了涂層硬度與涂層韌性。120 mm粒子邊緣出現飛濺，影響了其他高溫熔滴的飛行路徑和扁平化程度，扁平粒子之間搭接不平整，致使出現大量孔洞。根據XRD分析（圖3）得知120 mm涂層脫碳最為嚴重，由于該距離處粒子溫度最高，粒子速度有所降低，粒子在等離子焰流中加熱時間變長，使得WC嚴重脫碳，涂層嚴重脫碳致使W2C增多，大量Co相被消耗產生Co6W6C，使得涂層硬度與韌性明顯降低。130 mm粒子扁平化程度較好，邊緣無明顯飛濺，扁平粒子之間搭接完好，粒子充分熔化，增加了熔滴的流動性，可有效減小涂層的孔隙率。其原因是粒子溫度和速度有所降低，二者達到了一個良好的配合度，結合強度達到最大。XRD分析130 mm涂層氧化脫碳程度較輕，WC與Co得到較好保留，WC顆粒間的潤濕性有極大改善，這有助于增加Co黏結相與WC顆粒間的互擴散、固熔，使得粉末顆粒間的結合強度提高，增加裂紋尖端臨界應力場強度，最終提高該距離下涂層的硬度與韌性。140 mm時粒子溫度與速度都降低較快，粒子未充分熔化，未熔化WC顆粒撞擊基體后出現反彈，降低了涂層沉積效率，同時影響其他飛行粒子的路徑，減弱了未熔粒子的沖擊作用，致使涂層結合強度下降，扁平粒子之間搭接程度較弱，涂層孔隙率升高。雖然140 mm脫碳程度較輕，涂層硬度適中，但孔隙率的升高使得涂層斷裂韌性下降。

圖12為沖蝕角為90°時不同噴涂距離下涂層表面的沖蝕磨損形貌。從低倍SEM形貌可以看出，噴涂距離為120 mm和140 mm有明顯的剝落痕跡，表面較為粗糙，140 mm時涂層表面有明顯的剝落坑。噴涂距離為110 mm與130 mm涂層表面較為平整。通過對比不同噴涂距離的涂層高倍SEM形貌，噴涂距離為110 mm和130 mm時，涂層表面有沙粒撞擊后發生的變形，而在噴涂距離為120 mm和140 mm時并沒有發現。可能是110 mm和130 mm涂層的韌性好、結合強度高的緣故，減緩了沙粒對涂層的撞擊作用，且涂層具有低孔隙率，從而提高了涂層抗沖蝕磨損的能力。噴涂距離為140 mm時涂層表面出現較大的剝落坑，其原因是該涂層力學性能較差，孔隙率較大導致抗沖蝕磨損能力變差。同時也說明說明涂層抗沖蝕磨損能力主要取決于涂層孔隙率、顯微硬度、韌性及結合強度。

圖 12 不同噴涂距離下涂層表面的沖蝕磨損SEM形貌

圖13為不同沖蝕角度下（噴涂距離為130 mm）涂層表面的沖蝕磨損形貌。從30°沖蝕角下的沖蝕磨損形貌圖13（a）（d）可以看出，涂層片狀脫落痕跡較為明顯，表面嵌入沙粒較少。涂層表面的沖蝕坑及硬質相剝落坑較多，部分區域有變形犁溝出現，凹坑內存在部分細小未熔合的WC顆粒。分析原因是涂層在沖蝕磨損初期，高速形狀不規則沙粒以低角度沖擊到涂層表面，高速沙粒與涂層中包裹WC的柔韌性相Co相互撞擊，不規則沙粒將粘結相擠向兩側，形成犁溝；高速沙粒與硬質相WC相互撞擊時，動能較小的沙粒被反彈出去；而動能較大的沙粒則不斷撞擊WC，使得硬質相WC與粘結相Co相對滑動，發生塑性變形形成唇片或變形脊。沖蝕過程繼續進行，由于塑性變形形成的唇片被沙粒切削脫落，W顆粒失去粘結相Co的包裹而裸露出來。隨著沖蝕的加劇，裸露的WC顆粒被高速沙粒撞擊而剝落，致使涂層沖蝕磨損。圖14（a）（b）（c）為30°涂層沖蝕表面EDS面掃描分析，質量分數：7.77%C，2.20%O，32.80%Co，57.33%W。Co元素明顯增多，W元素降低，其他元素變化不大，說明部分WC顆粒被沖蝕剝落，與沖蝕機理分析結果一致。所以微觀切削、犁溝變形和微觀疲勞剝落是30°沖蝕角下的沖蝕磨損特征。由于WC-12Co涂層表面硬度較高，抗低角度沖蝕能力強，涂層沖蝕磨損率低，說明涂層具有較好的抗低角度沖蝕磨損能力。

圖 13 不同沖蝕角度下涂層表面的沖蝕磨損SEM形貌

圖 14 沖蝕表面EDS面掃描分析

在90°沖蝕角下的沖蝕磨損形貌圖13（c）（f）可以看出，涂層主要受到磨粒錘擊作用的影響，涂層沒有明顯的切削痕跡，有顯著的層狀剝落痕跡，表面較為平整。圖14（d）（e）（f）為90°涂層沖蝕表面EDS面掃描分析，質量分數：12.23%C，4.55%O，16.32%Co，66.90%W，4種元素含量變化基本沒有變化。沖蝕顆粒正面高速沖擊涂層表面，受到擠壓形成突出的唇片（圖13（f）），沖蝕粒子不斷對突出的片狀進行捶打，涂層周圍出現畸變層，經過嚴重的塑性變形之后，涂層次表面形成脈動循環應力，促使裂紋不斷擴展，直至裂紋貫通使得涂層破壞剝落造成涂層質量流失，主要表現為疲勞剝落。

從60°沖蝕角下的沖蝕磨損形貌（圖13（b）（e））可以看出，涂層中小型凹陷增多，涂層片狀脫落痕跡明顯，表面嵌入沙粒較少。沖蝕坑（圖13（e））明顯較30°時增大，周圍由于涂層剝落而出現明顯的分層現象，在切削和錘擊效應的雙重作用下，涂層表面受到沙粒垂直撞擊的力度增大，涂層失效形式介于30°與90°之間，致使涂層的失重率高于90°和30°的失重率。

4 結論

（1）在等離子噴涂WC-12Co涂層中，噴涂距離對涂層顯微組織結構及力學性能影響較大。綜合比較不同噴涂的涂層組織及力學性能，噴涂距離為130 mm時涂層質量較好，噴涂距離為120 mm與140 mm時涂層質量較差。

（2）高速飛行的高溫熔融粒子在撞擊基體或先沉積扁平粒子的瞬間，具有良好的熔化和扁平狀態是保證涂層質量良好的重要因素。選擇合適的噴涂距離能夠保證較好的粒子溫度與速度的配合，提高涂層抗沖蝕磨損能力。

（3）沖蝕時間在0~4 min內，涂層沖蝕磨損量增長較快，8 min以后磨損量緩慢增長。涂層抗沖蝕磨損能力主要取決于涂層孔隙率、顯微硬度、韌性及結合強度。噴涂距離為130 mm時涂層的抗氣固兩相流沖蝕磨損能力更好。550 μm（30目）沙粒對涂層沖蝕磨損量最大，270μm（50目）與212 μm（70目）沙粒對涂層沖蝕量基本一致；隨著沙粒速度增大，磨損量逐漸增大。

（4）在沖蝕角為60°時沖蝕磨損量最大，90°次之，小角度30°沖蝕磨損量最小；在小角度30°沖蝕時，微觀切削、犁溝變形和微觀疲勞剝落是沖蝕磨損的特征，涂層具有較好的抗塑性沖蝕磨損能力；在大角度90°時，疲勞剝落為主要特征，涂層有較好的抗脆性沖蝕磨損性能。

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責任編輯：殷鵬飛

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