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喷涂距离对超音速火焰喷涂 WC10Co4Cr 涂层沉积效率及耐磨粒磨损性能的影响

时间:2013-08-05 09:35:06  来源:粉末冶金材料科学与工程  作者:周伍喜,李玉玺,李松林,易长宾,颜 维

  
  摘 要:以-45~+15 μm WC10Co4Cr 团聚烧结球形喷涂粉末为原料,采用 GTV 超音速火焰喷涂(HVOF)系统 K2喷枪,通过改变喷涂距离(300、340 和 380 mm)制备 3 种涂层,应用金相显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度计等表征涂层结构和性能。结果表明:随喷涂距离减小,WC10Co4Cr 涂层孔隙率降低、显微硬度增加、耐磨粒磨损性能增强,但粉末的沉积效率降低;喷涂距离为 300~380 mm 时,WC10Co4Cr 涂层的物相组成均为WC、W2C 及少量非晶相;喷涂距离为 300~340 mm 时,WC10Co4Cr 涂层显微硬度和耐磨粒磨损性能变化较小;结合磨损区域中心位置的微观结构、涂层物理性能和表面粗糙度变化,探讨 WC10Co4Cr 涂层的磨粒磨损和喷涂距离的影响机制。
  关键词:热喷涂;硬质合金;WC10Co4Cr;磨粒磨损;沉积效率
  
  WC10Co4Cr 涂层能显著改善工件表面的耐磨性和耐腐蚀性从而延长工件的使用周期,可广泛应用于飞机起落架、钢铁行业炉辊、结晶器铜板、沉没辊、造纸行业瓦楞辊等表面处理[1−6]。超音速火焰(HVOF)喷涂技术具有火焰温度低(约 2 600−3 000 ℃)、焰流速度高(~1 500 m/s),在喷涂金属陶瓷过程中能有效地抑制和减少碳化物的分解,制备的涂层结合强度高、孔隙率低、微观结构均匀,因此已成为制备 WC 基涂层的首选方法。目前,HVOF 喷枪朝着低温高速方向发展,更有利于高性能的碳化物、金属等涂层的制备,这一类新型的喷枪有 K2、JP8000 等[7−8]。当粉末相同时,喷涂参数如喷枪、气体流量、喷涂距离等对WC10Co4Cr 涂层的微观结构、显微硬度、耐磨性等有重大影响[9−11]。在燃料煤油和氧气流量一定的情况下,高速焰流中粉末颗粒的温度和速度都将随着飞行距离的变化而不同,因此喷涂距离不同将制备出不同性能的涂层[12]。目前大多数研究都以 Praxair、Woka 和 H. C.Starck 等公司的 WC10Co4Cr 喷涂粉末为原料,采用JP8000、JP5000、DJ、Top Gun 等喷枪制备 WC10Co4Cr涂层,研究其微观结构和涂层性能,而使用 K2 喷枪煤油燃料制备 WC10Co4Cr 涂层,系统研究不同喷涂距离对涂层性能如耐磨粒磨损性能的影响等的研究却鲜有报道[9, 11−17]。另一方面,粉末沉积效率是衡量喷涂参数是否经济合理的重要指标,因此研究喷涂参数对粉末沉积效率的影响意义重大。LEGOUX 等采用JP5000 、 JP5000ST 、 DJ2700 、 Axial 不同喷枪制备WC10Co4Cr 涂层,其沉积效率为 10%~80%[18]。
  SCHWETZKE 等以不同粒度和微观结构的 WC12Co、WC17Co 和 WC10Co4Cr 粉末为原料,研究了采用气体作燃料的 DJ2700 喷枪在相同参数喷涂过程中粉末的沉积效率,而采用液体燃料的 K2 喷枪的喷涂参数对粉末沉积效率的影响研究未见报道[11]。本文以自贡长城硬面材料有限公司生产的 WC10Co4Cr 喷涂粉末为原料,采用 GTV HVOF 系统和 K2 喷枪在不同喷涂距离参数下制备 WC10Co4Cr 涂层,研究喷涂距离对粉末沉积效率、涂层微观结构、耐磨粒磨损性能等的影响,为 WC10Co4Cr 粉末喷涂工艺的制定提供依据。
  1 实验
  1.1 涂层制备
  喷涂粉末采用商用团聚烧结的粒度为−45~+15μm 的 WC10Co4Cr 粉末(ZTC4552D,自贡长城硬面材料有限公司)。涂层试样基体材料为 45#钢,尺寸为55 mm×46 mm×5 mm。喷涂前基体表面经 50~70 目白刚玉喷砂处理。采用 KUKA 机械手和 GTV 喷涂系统 K2 喷枪 150K 枪管制备 WC10Co4Cr 涂层,喷涂过程采用冷干的压缩空气冷却涂层,具体喷涂参数如表1 所列。
  1.2 性能表征
  采用OLYMPUS B×41M-LED金相显微镜观察粉末和涂层的微观结构,测定涂层的实际厚度;通过金相系统图片处理软件(OLYMPUS Stream)计算各涂层的孔隙率(10 个不同视场),并取其平均值;粉末和涂层试样用 Struers 镶样机和磨抛机制备,然后经金刚石磨盘、抛光盘和金刚石抛光液磨抛;通过金相软件测定的涂层实际厚度与理论厚度之比计算喷涂粉末的沉积效率;采用 Future-tech Corp FM-700 显微硬度计测定涂层硬度,加载载荷为 300 g,保压 10 s,测量 10个值取其平均值;采用日本理学 D/MAX2550 型 X 线衍射仪(XRD)分析粉末和涂层的物相;采用干式橡胶轮磨粒磨损试验机,按 G65 标准测定 3 种涂层的耐磨粒磨损性能,磨损试验机的转速为 200 r/min,每次磨损时间为 10 min,载荷 130 N;采用 JF2004 电子天平(精度为 0.1 mg)称量涂层磨损前后的质量,根据质量损失计算体积损失来评价各涂层的耐磨粒磨损性能,磨料为 50~70 目(300~212 μm)的不规则状石英砂,各涂层分别进行 2 次磨损试验;采用 TR200 表面粗糙度仪测量涂层和磨损区域中心位置的表面粗糙度;采用S-3000 型扫描电子显微镜观察涂层和磨损中心区域的微观结构。
  2 结果与讨论
  2.1 HVOF 喷涂 WC10Co4Cr 涂层的物理性能和沉积效率
  WC10Co4Cr 喷涂粉末的金相图如图 1 所示。由图 1 可见:WC10Co4Cr 粉末的球形度高、粉末分散性好、粉末空心球颗粒含量低,有利于获得较高的沉积效率和涂层性能。WC10Co4Cr 喷涂粉末的 XRD 谱图如图 2 所示。由图 2 可知 WC10Co4Cr 粉末为 WC 和Co 相,没有明显的缺碳相 Co3W3C(η相)的衍射峰,这是团聚烧结法制备的碳化钨基喷涂粉末的典型物 相[11, 15]。
  HVOF 喷涂过程中的粉末种类、粉末性能、喷枪类型、枪管、氧气流量、喷涂距离、送粉速率都会影响喷涂过程中粉末的沉积效率[11, 18]。本文作者制备的WC10Co4Cr 涂层的物理性能如表 2 所列。由表 2 可知:采用新型 K2 型喷枪和 150K 型枪管制备的 3 种涂层均获得了较高的沉积效率,即沉积效率达到 58%~68%,高于采用 DJ2700 喷枪制备的 WC10Co4Cr 涂层的沉积效率(38%~56%)[11]。由表 2 还可知,随喷涂距离从 380 mm 降至 300mm,粉末沉积效率下降。HVOF 喷涂过程中随喷涂距离的降低,焰流中粉末颗粒的飞行速度提高,导致颗粒高速冲击基体时易发生反弹,使沉积效率降低、生产成本增加。不同喷涂距离范围内,粉末颗粒在焰流中以不同速度沉积在基体上是导致获得不同沉积效率的主要原因[12]。
  各涂层金相结构如图 3 所示。由图 3 和表 2 可知各涂层微观结构致密,随喷涂距离的减小,涂层孔隙率降低、显微硬度增加,当喷涂距离为 300mm 时涂层显微硬度达到 1 399.3±88.7 HV300 g。在相同燃料、氧气流量下,喷涂距离降低将导致粉末颗粒和基体温度增加,在送粉率不变的情况下喷涂距离降低则粉末颗粒获得的热量高,粉末的熔融程度高,有利于颗粒沉积到基体时铺展、堆叠从而获得孔隙率小的致密结构涂层;同时在采用相同牌号粉末时,随喷涂距离的减小,颗粒冲击基体的能量增加,有利于喷涂过程中层与层之间的叠加,从而获得致密的涂层。孔隙率降低的同时涂层的显微硬度相应提高。Zhao[9]等采用DJ2600 喷枪喷涂粒度分布范围为 −45~+11 μm 的WC10Co4Cr 粉末制备的涂层,其孔隙率降低的同时显微硬度也相应提高,当涂层孔隙率为 0.5%时,涂层显微硬度为 1 330 HV300 g;当涂层孔隙率为 4.0%时,涂层显微硬度为 976 HV300 g。因此,在喷涂距离 380~300 mm 内,降低喷涂距离有利于涂层致密度和显微硬度的改善。
  2.2 涂层微观结构
  各涂层的 XRD 谱线如图 4 所示。图 4 显示 WC10-Co4Cr 涂层主要由 WC 相组成,还含有少量的 W2C 和非晶相(宽泛的衍射峰, 2θ=44°左右)。WC10Co4Cr 涂层沉积过程中碳化钨部分溶于钴相,熔融颗粒以极高的速度撞击基体材料,同时加上整个沉积过程中干燥的压缩空气(压力稳定在 0.7 MPa)的冷却,熔融颗粒以极高的速度冷却,从而形成非晶相。SAMPTH 等的研究表明:热喷涂制备涂层过程中,熔融颗粒沉积的冷却速度约为 106~107K/s[19]。STEWART 等[20]采用 Top Gun 喷枪制备的常规结构 WC17Co 和纳米结构WC15Co 涂层,涂层中都存在非晶相。3 种涂层中 W2C衍射峰强度均非常低,未出现 W 或η相(Co3W3C)的衍射峰,表明颗粒在焰流中停留时间极短,粉末脱碳程度小,涂层中保存了粉末中的 WC 硬质相,有利于耐磨性的提高。本实验涂层脱碳程度小的原因有二:一是相对于气体燃料如氢气、丙烷等,采用液体燃料具有相对低的焰流温度;二是采用 K2 新型喷枪,在本文设计的煤油和氧气流量参数下,喷枪燃烧室压力达0.86 MPa,颗粒飞行速度高,从而在焰流中停留的时间极短。当喷涂距离从 380 mm 降低至 300 mm 时,涂层物相未发生改变,粉末颗粒中大部分 WC 相得以保留,表明在此喷涂参数下喷涂距离对涂层物相没有明显的影响。各涂层背散射 SEM 照片如图 5 所示,由图可知,各涂层均清晰可见带棱角的不规则 WC 硬质相颗粒,且分布均匀。
  2.3 WC10Co4Cr 涂层耐磨粒磨损性能
  WC10Co4Cr 涂层的耐磨粒磨损性能与粉末原料、喷枪、喷涂工艺、涂层中硬质相 WC 含量、WC 晶粒大小、分布、粘结相含量及 WC 在 Co 相中的溶解程度、磨料粒度等有关[10,17]。不同研究者因涂层制备工艺或实验表征方法不同,很难单纯从涂层磨损前后的质量或体积损失数据比较中得到 WC10Co4Cr 涂层的耐磨粒磨损性能。本文评价涂层耐磨粒磨损性能时均采 用 同 一 型 号 的 石 英 砂 和 相 同 的 磨 损 工 艺 。WC10Co4Cr 涂层磨粒磨损的体积损失如表 3 所列。由表 3 可知:同一涂层第一次磨粒磨损 10 min 后体积损失为第二次磨粒磨损后的 2~3 倍;随喷涂距离降低涂层的耐磨粒磨损性能提高,当喷涂距离为 300 mm时,制备的涂层耐磨粒磨损性能最好;随磨损时间增加和喷涂距离降低,涂层表面粗糙度(Ra)降低。
  3 种涂层第 2 次磨粒磨损后,中心位置的二次电子和背散射 SEM 照片如图 6 所示。由图 6 可以清晰地看出,当喷涂距离为 380 mm 时,涂层磨损区域中心位置的磨损面积及深度较大;当喷涂距离为 340mm 或 300 mm 时,涂层磨损区域中心位置的磨损面积及深度较浅,且磨损程度接近一致;涂层磨损区域的微观形貌符合表 3 所列的随喷涂距离降低涂层耐磨性提高的趋势。涂层磨损后其中心位置的 WC 硬质相存在一定程度开裂和移除,这可能是各涂层在一定载荷的磨削过程中 WC 晶粒部分或全部断裂,然后伴随着粘结相的磨损带走破碎了的 WC 晶粒或孤立的 WC晶粒磨削,而造成涂层表面形成磨损面积及深浅不一的磨损区域[10,17]。WC10Co4Cr 涂层磨损区域的微观结构和表面粗糙度的变化表明:开始磨损时,涂层表面的凹凸不平有利于磨料颗粒边角与涂层的咬合,涂层所受磨粒冲击大,磨损严重、表面粗糙度降低,涂层体积损失大(第一次磨损体积损失见表 3);而后由于涂层趋于平滑,磨粒与涂层表面咬合程度降低,磨料尖锐棱角随机地嵌入硬度低的粘结相进而磨削粘结相,然后磨削孤立的 WC 硬质相,从而导致涂层磨损量降低(第二次磨损体积损失见表 3);这也符合表 3所列各涂层表面粗糙度、磨损体积的变化趋势。
  WC 基涂层喷涂过程中脱碳生成的脆性碳化物会严重影响涂层的耐磨性能[21]。本文 WC10Co4Cr 涂层在喷涂距离为 380~300 mm 时,涂层脱碳程度小,物相保持一致(图 4),因此在 380~300 mm 范围内,本研究的涂层物相对涂层的耐磨粒磨损性能影响甚微。随着喷涂距离减小,当喷涂距离为 300 mm 时涂层的显微硬度高于喷涂距离为 380 mm 时制备的涂层(表 2),表明涂层硬质相颗粒堆垛更致密(图 5),在磨损过程中层间硬质相和硬质相在粘结相中的钉扎效应更明显,不易被磨削,从而表现出更优异的耐磨性能;同时,当喷涂距离为 300 mm 时的涂层表面粗糙度和孔隙率低于喷涂距离为 380 mm 制备的涂层(表 2),涂层粗糙度和孔隙率的降低会降低磨粒与涂层表面咬合或磨粒嵌入涂层表面的几率,从而磨粒不易磨削涂层,使涂层耐磨性能增加。当喷涂距离为 340 mm 时,涂层的物理性能和喷涂距离为 300 mm 时的比较接近,所以2 种涂层的耐磨性接近。
  3 结论
  1) 在喷涂距离 380~300 mm 时,各 WC10Co4Cr涂层脱碳程度小,涂层的物相均为 WC、W2C、非晶相;在该工艺参数条件下,喷涂距离对涂层物相变化影响甚微。
  2) 随喷涂距离的降低,WC10Co4Cr 粉末制备涂层的沉积效率逐渐降低,涂层显微硬度逐渐增加,孔隙率逐渐降低;喷涂距离为 300 mm 时,涂层显微硬度最高,为 1 399.3±88.72 HV300 g,孔隙率 0.3%;喷涂距离在 340~300 mm 时,涂层显微硬度变化较小;喷涂距离为 380 mm 时,其沉积效率最高为 67.88%,而显微硬度为 1 268.9±90.5 HV300 g。
  3) WC10Co4Cr 涂层的耐磨粒磨损性能随喷涂距离的降低而增强,减小喷涂距离制备的涂层显微硬度高、孔隙率低,有利于涂层耐磨粒磨损性能的改善。
  参考文献略
 

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