喷雾转换法制备超细晶WC 12Co复合粉末HVOF涂层性能研究

时间：2017-07-07 15:51:54 来源：稀有金属与硬质合金作者：吴杰，王忠华，尚根峰，羊建高，刘芳，吕健

摘要:     采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术，以喷雾转换法制备的超细晶WC-12Co复合粉末为热喷涂粉末原料，在45#钢基体上制备WC-12Co涂层，并测试涂层的显微硬度､开裂韧性及抗磨粒磨损性能，利用XRD对复合粉末及涂层进行相结构分析，用SEM对复合粉末及涂层截面进行显微观察｡结果表明，在喷涂过程中，多孔空壳球形复合粉末中WC颗粒有明显的脱碳分解发生，涂层中含有W2C､Co2W4C､W和非晶相；涂层组织呈典型的层状结构，WC晶粒有圆润化和长大现象；涂层显微硬度HV平均值为1084､开裂韧性平均值为524MPa•m1/2，涂层表面抗磨损性能随粗糙度降低和硬度增加而提高，平均磨损质量损失为0.783mg/min｡
关键词:     超细晶WC-12Co复合粉末；喷雾转换法；HVOF；涂层

    超音速火焰喷涂(HighVelocityOxygenFuel，HVOF)的焰流速度高､温度相对较低，可有效地抑制WC相在喷涂过程中的脱碳分解，特别适于喷涂WC-Co金属陶瓷材料[1-2]｡采用HVOF喷涂制备的WC-Co涂层因具备结合强度高且致密，耐磨､耐腐蚀性能优越，被广泛地应用于航空航天､冶金､机械､石油化工､包装印刷和造纸等工业领域，以提高相关零部件表面的耐磨性或修复受损零部件[3-4]，而且HVOF喷涂WC-Co涂层制备效率高､环境污染小，比电镀硬铬更具应用前景[5]｡
    目前，制备WC-Co热喷涂粉末的方法有烧结破碎法､混合法､包覆法､熔融法和团聚烧结法等[6]，其中采用最多的是团聚烧结法，该法相对成熟，但存在着制粉工艺流程长､能耗高､粉末易污染､成分不够均匀和生产成本高等问题｡喷雾转换法是目前制备WC-Co复合粉末较为先进的方法，该法以钨盐､钴盐和可溶性有机碳源为原料，经喷雾干燥､煅烧和连续还原碳化工艺制得WC-Co复合粉末，工艺流程短､粉末各组元混合均匀程度高[7]｡国内已有研究者对喷雾转换法制备HVOF用WC-Co热喷涂粉末做了初步探索实验，但在涂层形成机理及耐磨性能等方面的研究仍未涉及｡本文以喷雾转换法制备的超细晶WC-12Co复合粉末为原料，经HVOF喷涂制备涂层，对WC-12Co复合粉末物相转变､涂层结构及性能进行研究，开拓一条耗能小､周期短､成本低的HVOF喷涂制备WC-12Co涂层新工艺｡

1 实验

1.1材料及涂层制备
    热喷涂粉末是本课题组以喷雾转换法制备的超细晶WC-12Co复合粉末，该复合粉末性能参数如表1所示，其粒度分布曲线､物相组成和微观形貌分别如图1､图2和图3所示｡由表1可知，WC-12Co复合粉末的化合碳饱和程度高､游离碳含量低，由于复合粉末呈中空形貌而松装密度较低，平均粒度为30μm左右｡由图1可知，超细晶WC-12Co复合粉末粒度分布集中｡图2显示该复合粉末中只含WC､Co两相，物相纯净｡而图3中粉末形貌呈空壳球形，壳体粗糙多孔，有一定程度的破裂，WC一次颗粒粒度范围为0.2~0.8μm，颗粒之间存在明显的烧结颈，形成一定强度的骨架结构｡
    HVOF涂层试样的基体材料选用45#钢，尺寸为100mm×60mm×5mm｡喷涂前对基体进行预处理:先用丙酮擦拭基体表面，除去表面的油脂､油渍等残留污垢，用250μm白刚玉砂(Al2O3)对其表面进行喷砂粗化处理，喷砂完毕之后用压缩空气吹净试样表面残留砂粒｡采用JP8000超音速火焰喷涂系统制备WC-12Co涂层，主要工艺参数如表2所示｡复合粉末HVOF涂层中除了WC主相之外，还含有W2C､W及η(Co2W4C)相，W2C相的衍射峰强度较强而W相较弱，在2θ为42~48°范围内存在漫散射峰，Co相衍射峰则不明显｡RIBEIROCA等[8]在含氧氛围中对WC进行热重-差热分析，发现WC逐渐氧化脱碳形成W2C､W等，最终形成WO3｡据W-C-Co三元相图可知，WC+γ两相区狭窄，缺碳时易形成η相[9]｡喷涂过程中，WC颗粒与高温富氧焰流接触发生氧化脱碳的机制有两种:一是WC直接与氧反应发生脱碳并热解成W2C，W2C继续和氧反应生成W单质[10]，脱碳反应如式(1)~式(3)所示；二是WC间接氧化脱碳，即以原子形式向Co中扩散，而C元素不断被氧化烧损，在粒子扁平化凝固过程中，因缺碳导致W2C､W和Co2W4C等的析出，并发生扩散型转变机制的相变，形成Co-W-C非晶相｡

2 结果与分析

2.1喷涂过程中的物相转变
    图4为超细晶WC-12Co复合粉末HVOF涂层的X射线衍射谱｡对比图2可知，超细WC-12Co大量单质W｡
2.2涂层截面显微形貌
    图5为超细晶WC-12Co复合粉末HVOF涂层截面的金相显微照片｡由图5可知，涂层呈现典型的层状组织结构，涂层与基体结合紧密，但仍存在少量孔隙，而涂层表面处的孔隙更多｡这一方面是由于超细晶WC-12Co复合粉末形貌结构有利于粒子熔融，粒子熔融程度高，形成的HVOF涂层致密并呈现出层状结构；另一方面基体温度低且表面粗糙，熔融粒子对基体的润湿､铺展效果不佳，且HVOF速度快､加热时间短，又复合粉末壳体有一定的强度，喷涂时粒子未能迅速的坍塌，彻底消除孔隙，因此涂层中仍有孔隙存在｡在最后几道次喷涂中，没有后续高温高速粒子的热冲击作用，导致涂层表面的致密度降低｡
    图6为超细晶WC-12Co复合粉末HVOF涂层截面SEM图像，其中图6(a)~图6(c)分别为涂层基体结合处､涂层中部处及表层处的SEM图｡由图6可知，涂层WC晶粒结合紧密，分布均匀，小尺寸晶粒形貌多圆润，大尺寸晶粒基本保持原先形貌，但棱角稍钝且多呈短条状，少数晶粒有烧结长大的迹象，这是在喷涂过程中WC晶粒，特别是小尺寸WC晶粒的棱角优先溶于Co相中，导致WC晶粒棱角圆润化，粒子扁平化冷凝或后续高温粒子持续冲击时发生结晶长大；Co相分布均匀未出现钴池缺陷，说明超细晶WC-12Co复合粉末物相均匀分布的特性在HVOF涂层中得以保留｡
2.3涂层性能分析
    表3为超细晶WC-12Co复合粉末HVOF涂层性能测试结果｡由表3可知，涂层表面粗糙，复合粉末沉积效率高｡在喷涂过程中，复合粉末多孔空壳球形结构有利于复合粉末与焰流充分接触，粒子熔融程度高，易于粘附，且空心结构导致粉体质量较实心结构喷涂粉末更低，同时复合粉末中WC颗粒尺寸小，撞击基体时粒子动能小，不易反弹损失，故沉积效率高｡     图7为超细晶WC-12Co复合粉末HVOF涂层开裂韧性测试区域裂纹SEM图像｡由图7可知，裂纹方向大致平行于基体，并沿晶扩展从粘结相中穿过｡涂层呈典型的层状组织结构，层与层之间的结合处薄弱，Co相与Co2W4C相､WC相和W相的界面均为涂层结合薄弱处[14]，因此宏观上裂纹沿着平行于涂层-基体界面的涂层层间处扩展，微观上则从Co相界面处沿晶扩展｡由表3可知，涂层显微硬度高､开裂韧性高，综合性能良好｡这是因为脱碳生成的高硬度W2C相可提高涂层硬度；涂层保留了复合粉末WC晶粒细小且与Co均匀分布的特性，有助于提高涂层硬度和韧性；WC棱角圆润化可降低应力集中，固溶于Co相中的W､C起固溶强化作用可提高Co相强度，进而有效地抑制裂纹的产生和扩展，提高涂层韧性｡
    磨损试验分为预磨3min和3轮正式磨36min，共4轮磨39min｡磨损时间与涂层磨损质量损失的关系如图8所示｡由图8可知，随着磨损时间的延长，累积磨损质量损失增加，单轮磨损质量损失逐渐减少，且预磨质量损失是第3轮正式磨的两倍以上｡由表3可知，预磨前涂层表面粗糙度大，预磨时表面凸起部位同时受到旋转砂轮的纵向加载和切向冲击作用，发生冲击崩落磨损，在纵向上凸起部位接触面积小，应力集中导致裂纹迅速产生或扩展，最终发生断裂，切向冲击也加速凸起部位的崩落磨损，涂层表面越粗糙磨损越严重｡据文献[16]可知，由表及里涂层显微硬度先增大后减小｡在经过预磨和2轮正式磨之后，涂层表面粗糙度急剧下降､硬度增加，耐磨性提高，磨损质量损失减小，发生磨粒磨损｡由于磨粒SiO2的硬度介于硬质相和粘结相之间，在磨损过程中磨粒首先对塑性较好的Co相进行犁削，SiO2在与硬质相的刮擦和冲击下优先开裂､破碎，而硬质相以较慢的速度发生疲劳开裂､破碎甚至是从粘结相中剥离｡因此，随着磨损轮数的增加，涂层表面粗糙度下降､硬度增加，磨损质量损失逐渐减小，抗磨粒磨损性能提高｡

3 结论

    1)采用HVOF喷涂时，喷雾转换法制备的超细晶WC-12Co复合粉末发生间接氧化脱碳，其多孔空壳结构有利于复合粉末与焰流接触，并脱碳分解出大量W2C相，Co均匀包覆WC，对WC进一步脱碳分解成单质W有一定的抑制作用｡
    2)复合粉末多孔空壳结构有利于HVOF喷涂时复合粉末沉积，效率高达59.09%，但壳体具有一定强度，扁平化时未能彻底坍塌，导致部分孔隙残留于涂层中｡涂层组织呈层状结构，WC晶粒因烧结作用出现棱角圆润化现象，保留了复合粉末WC晶粒细小且与Co均匀分布的特性，有助于提高涂层硬度和韧性｡
    3)采用喷雾转换法制备超细晶WC-12Co复合粉末应用于热喷涂领域，涂层综合性能良好，显微硬度HV0.3/10为1084､开裂韧性为5.24MPa•m1/2，开裂裂纹沿着涂层Co相界面薄弱处沿晶扩展，涂层抗磨损性能随着涂层表面粗糙度的降低､硬度的增加而提高，磨损质量损失为0.783mg/min｡

本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/

来顶一下

返回首页

推荐资讯

相关文章

无相关信息

栏目更新

栏目热门