粉末预置法电火花沉积 WC-8Co 涂层分析
高玉新， 赵 程， 易 剑
焊接学报
摘 要: 针对传统电火花沉积技术存在电极制备工艺复杂、涂层存在较多裂纹及孔洞的不足，把 WC-8Co 粉末置于电极与基体之间的脉冲放电通道内，利用电火花沉积工艺制备了 WC-8Co 涂层． 对比分析了新工艺与传统工艺制备的涂层表面形貌、显微组织及摩擦磨损性能． 结果表明，用新工艺制备的涂层表面平整、粗糙度低、组织致密，与基体呈冶金结合． 与传统工艺相比，新工艺制备的涂层有良好的耐磨粒磨损性能． 用粉末预置法制备涂层能提高电火花沉积效率，适于制备大面积的涂层．
关键词: 电火花沉积; 预置粉末; 粉末工艺; 耐磨性能；热喷涂；热喷涂粉末
电火花沉积技术是在氩气保护下，利用脉冲火花放电的高密度能量，把电极材料涂覆熔渗到金属表面形成涂层的方法［1，2］． 由于该技术具有对基体材料热输入极少、沉积层残余应力和工件残余变形极小，且涂层与基体呈冶金结合等显著优点［3］，在材料表面强化与磨损零部件的精密修复等领域具有广泛的应用前景． 到目前为止，相关文献研究均是利用各种电极材料，如 WC-Co，Ti，MCrAlY，Cr7C3，Al-Ni 等在基材表面获得电火花沉积涂层［2，4 －6］． 电火花沉积电极多是利用粉末冶金、自蔓延高温合成及真空熔铸等技术制备，其设备、工艺复杂，成本高，这就限制了电火花沉积技术在制备高性能涂层中的应用，增加了工艺实施的难度和成本． 另外在电火花沉积时，由于受到电极端部形状和已沉积涂层表面粗糙度的影响，电极在与基体或已沉积涂层表面接触时，产生的电火花或微弧极不均匀，有可能导致电极过热，局部产生转移电弧，从而使涂层产生飞溅层和弧坑腐蚀，表面粗糙度变大，涂层质量变坏．在电火花沉积过程中，当电极靠近金属工件的瞬间，在电极与工件接触的微小区域内便产生高频电火花放电，将电极与工件母材之间的空气( 或氩气) 电离，成为等离子体． 由此电极与工件之间便产生了一个等离子放电通道，形成了微等离子弧． 由于其能量密度很高，足以熔化高熔点的金属、金属陶瓷或陶瓷材料． 如果将合金或金属陶瓷粉末置于上述放电等离子通道中，粉末将被高能量密度的微等离子弧快速地熔化，从而在随后的快速凝固中形成涂层．
基于以上分析，为了提高电火花沉积技术的效率，采用粉末预置法使粉末处于电极和工件之间产生的等离子通道中，利用二者产生的微等离子弧使粉末快速熔化、快速凝固形成涂层，并与传统电火花沉积工艺制备的涂层进行组织和性能等方面的比较． 为了区分这两种不同的电火花沉积工艺，文中将利用电极制备电火花涂层的工艺称为“电极工艺”，利用粉末预置法制备电火花涂层的工艺称为“粉末工艺”．
1 试验方法
沉积设备采用 DZS-4000 型电火花沉积/堆焊机． 两种工艺均采用直径为 6 mm 的 WC-8Co 电极棒，采用手工操作，用氩气保护，氩气流量为 6L / min． 沉积工艺参数: 功率 1 200 W，电压 80 V，频率1 000 Hz． 基体试样为灰口铸铁( 3． 18%C) ，尺寸为 25 mm ×25 mm ×6 mm． 试验前用 400 号砂纸打磨，然后分别用丙酮和酒精清洗试样表面． 电极工艺的生产率为1． 5 min/cm2，两种工艺在基体试样上的沉积面积均为 2 cm2．在粉末工艺中，用聚乙烯醇作粘接剂将 WC-8Co 粉末( 粒度为 12 ～ 30 μm) 均匀铺在试样表面，预置粉末厚度约为 0． 5 mm． 沉积时，电极与预置粉末层之间保持一微小间隙，并均匀扫过预置粉末层，以使微等离子弧连续、均匀． 粉末工艺制备电火花涂层示意图如图 1 所示．
采用 X 射线衍射仪( XRD) 分析涂层的相组成;采用扫描电镜( SEM) 观察涂层的组织形貌; 利用HT-600 型磨损试验机进行室温无润滑摩擦磨损试验，运动形式为圆周循环运动，转速为 1 200 r/min，对磨试样为 YG8 硬质合金球，试验载荷为 20 N，时间为 15 min．
2 试验结果及分析
2． 1 涂层表面形貌
图 2 为电火花涂层的表面形貌． 图 2a 表面呈现出典型的火花放电蚀坑和熔融液滴飞溅的形貌，表面比较粗糙，这是由于沉积时电极不断撞击沉积层表面而造成． 图 2b 为图 2a 的高倍照片，图 2b 中显示，电极工艺制备的涂层表面存在较多裂纹和孔洞，这与传统电火花沉积工艺本身特性有关． 而粉末工艺制备的涂层表面平整光滑( 图 2c) ，很难发现颗粒泼溅的特征，从其高倍照片( 图 2d) 可以看出，涂层表面没有裂纹和孔洞． 粉末工艺实施时，电极没有接触粉末预置层，等离子微弧均匀扫过粉末层时，处于等离子通道的粉末快速熔化，在随后的冷却中形成了涂层． 由于电极对粉末层之间没有撞击，因此涂层表面平整、均匀、粗糙度低．
2． 2 沉积前后电极的质量变化
图 3 为两种工艺下沉积前后工作电极的质量变化情况． 图 3 显示，在电极工艺中，沉积电极质量从沉积前的 14． 381 g 变为沉积后的 14． 332 g; 而在粉
末工艺中，电极质量由沉积前的 14． 378 g 变为沉积后的 14． 387 g，电极质量不但没有减少，而且略有增加． 由此推断，两种工艺下涂层的形成机制不同．
图 4 为两种工艺沉积后电极的表面形貌． 图 4a显示，电极工艺中使用的电极，熔滴凝固后的表面比较光滑，熔滴体积较大． 而粉末工艺中使用的电极熔滴凝固后的尺寸较小，且熔滴表面有较多孔洞( 图 4b) ．
在电极工艺中，当电极接触基体的瞬间，放电微弧将电极端部熔化并转移到基材表面形成涂层． 在此过程中，工作电极( 阳极) 发生了腐蚀( 质量过渡)行为，导致其沉积后质量变小． 而在粉末工艺中，工作电极与预置粉末层之间保持一微小间隙，没有对粉末层及基体产生撞击作用，因此没有发生电极的粘连行为． 此微弧将粉末快速熔化时，由于微弧产
生的气爆等原因，将熔化粉末中的微小熔滴溅射到电极表面，同时由于气爆作用使微小熔滴溅射到较大体积的熔滴上面，产生了较多孔洞( 图 4b) ． 由上述分析可以推断，粉末工艺中的电极在电火花工艺实施时并没有熔化，只是作为产生等离子微弧的阳极，由此导致了沉积后电极质量的增加．图 4 中 A 区和 B 区的能谱分析见表 1． 从表 1可以看出，在电极工艺中，放电微弧将电极端部与基体材料同时熔化形成了混合熔体，由于电极的粘连行为导致 Fe 元素含量较高． 相对电极工艺而言，粉末工艺中溅射到电极上的熔滴，其 Fe 元素含量较低，且能谱分析中未见 Co 元素，这有待于进一步进行研究．
2． 3 涂层组织分析
图 5 为涂层 X 射线衍射分析的结果． 电极工艺制备的涂层 XRD 图谱显示，主峰存在明显的宽化现象，这与涂层中非晶相的形成及晶粒细化有关． 而粉末工艺的 XRD 图谱不同于电极工艺，图谱中主峰向高角度偏移，且比较尖锐，说明涂层以晶相为主．
图 6 为利用两种不同工艺制备的电火花涂层横截面的 SEM 形貌． 图 6a 显示，涂层厚度为 30 ～ 40μm，存在较多孔洞． 涂层与基体之间有一明显的热影响区，厚度约为 15 ～ 20 μm． 粉末工艺制备的涂层( 图 6b) 厚度均匀，约为 40 ～ 50 μm，且涂层组织均匀，孔洞较少． 从图 6b 还可以看出，涂层与基体的热影响区不明显，界面处的柱状晶组织( 图 6b 柱
状晶处) 近似垂直于基体沿 ＜100 ＞ 方向生长． 在粉末工艺中，电极与粉末预置层之间存在一脉冲放电通道，形成了微等离子弧，这种等离子弧又不同于热等离子弧． 热等离子弧热输入大，其制备的涂层( 熔覆层) 与基体之间的界面为明显的平面晶组织［9］．
而电火花沉积是一种快速加热、快速凝固的过程，由于其脉冲放电的周期很短，且熔池体积很小，导致熔池中微区成分不均匀，液态成分起伏较大． 此时结晶前沿的温度梯度与实际的结晶温度有少量的相交，平面结晶处于不稳定的状态，凝固界面生长出沿界面法线方向的许多平行束状的凸起，并伸入过冷的液体内形成柱状晶组织( 图 6b) ． 从以上分析可推断，粉末工艺是一种脉冲等离子微弧沉积技术，其结合了热等离子弧熔覆和电火花沉积技术的优点，使制备的涂层质量优于传统的电极工艺．
2． 4 涂层性能分析
图 7 为两种工艺制备的涂层及基体的摩擦系数随时间的变化曲线． 从图 7 中可以看出在 10 min内，两种工艺制备的涂层摩擦系数均较小，且波动范围也较小． 超过 10 min 后，电极工艺制备的涂层摩擦系数波动加大，而粉末工艺制备的涂层摩擦系数仍保持平稳． 这主要是因为传统电极工艺制备的涂层存在较多的微裂纹及孔洞． 而粉末工艺制备的涂层表面平整( 图 2b) ，涂层内部缺陷较少、组织均匀，使摩擦系数波动较小．
图 8 为两种工艺制备的涂层磨损后的表面形貌． 从图 8a 中可以看出，涂层在摩擦磨损过程中出现了磨损剥落和塑性变形的特征，磨损表面存在较多的凹坑，这主要是因为涂层中存在较多的孔洞、裂纹等缺陷，在交变应力的反复作用下极易产生疲劳裂纹，并在交变应力的持续作用下，这些裂纹会长大、连接，当裂纹扩展到一定程度时，会导致涂层局部出现剥落． 而图 8b 的磨损形貌显示，涂层在磨损过程中出现了较浅的犁沟和微切削的特征，磨损表面比较平滑，表面质量较高，说明涂层耐磨粒磨损性能较好． 粉末工艺制备的涂层表面平整，粗糙度低( 图 2b，d) ，缺陷也较少，这有助于提高其表面的耐磨性能． 从上述分析得出，电极工艺制备的涂层，其磨损机制以磨粒磨损和疲劳磨损为主，粉末工艺制备的涂层其磨损机制主要是犁削作用引起的微切削及轻微的磨粒磨损．
3 结 论
( 1) 利用电火花沉积技术，把 WC-8Co 粉末置于电极与基体的脉冲放电通道内( 粉末工艺) ，制备了电火花涂层． 粉末工艺中，电火花沉积电极并没有熔化，只是作为产生微等离子弧的阳极．
( 2) 粉末工艺制备的涂层主要由 W2C，Fe7W6，Fe6W6C 及少量 WC 组成，且以晶相为主．
( 3) 粉末工艺制备的涂层表面平整，粗糙度低，表面质量优于传统电火花沉积层． 涂层内部组织致密，厚度约为 40 ～50 μm，与基体呈冶金结合．
( 4) 涂层具有良好的耐磨性能，其磨损机理为犁削作用引起的微切削．
参考文献:
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