超音速火焰噴涂WC/Co涂層的組織性能研究

畢虎才，董勇軍，冀晉川

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

超音速火焰噴涂是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種高速火焰噴涂法，具有火焰速度高（2 000 m/s）及噴涂溫度相對(duì)較低（3 000℃）的特點(diǎn)，噴涂粒子速度高，其涂層具有高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，使它在石化、冶金、制造、采礦等行業(yè)的應(yīng)用逐步取代了傳統(tǒng)的電鍍、熱噴涂等手段[1，2]。電廠大量金屬部件在高溫、沖擊、磨損、腐蝕等環(huán)境下，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)使材料壁厚減薄，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致部件失效，甚至可能發(fā)生人身事故。材料表面噴涂處理能夠改善其性能，提高材料表面的耐磨性，延長使用壽命，降低爆管發(fā)生的可能，減少了鍋爐的非計(jì)劃停運(yùn)。對(duì)防止鍋爐部件失效，保證電廠的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

1 超音速火焰噴涂實(shí)驗(yàn)材料與方法

基體材料選用TP347不銹鋼（1Cr19Ni11Nb），其化學(xué)成分見表1，規(guī)格為20 mm×20 mm×7 mm，準(zhǔn)備多個(gè)試樣待用，在進(jìn)行超音速火焰噴涂前，用180目砂紙進(jìn)行粗磨處理。實(shí)驗(yàn)采用粒度為360～420目的WC/12Co粉末，主要成分為碳化鎢（WC）質(zhì)量含量為82%～86%，鈷（Co） 質(zhì)量含量11%～13%，鉻（Cr）質(zhì)量含量4%～6%；采用MH-W100型超音速火焰噴涂設(shè)備，其噴涂距離300 mm；氧氣壓力約2.0 MPa；送粉壓力0.18 MPa。

采用金相顯微鏡、X射線衍射儀對(duì)涂層的組織及相組成進(jìn)行了研究，并測試了涂層的結(jié)合強(qiáng)度和硬度。結(jié)合粘接用膠型號(hào)為F-10。膠接后在烘箱內(nèi)保溫110℃/5 h，冷卻后放置24 h，然后對(duì)其進(jìn)行測試。拉伸結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)在WE-10A試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。利用HVS-2000型顯微硬度儀測量試樣的顯微硬度，載荷為4.9 N，加載時(shí)間為20 s，選取5個(gè)不同試樣進(jìn)行測量，每個(gè)試樣測試3點(diǎn)。

表1 TP347不銹鋼管化學(xué)成分表 %

2 噴涂結(jié)果分析

本次試驗(yàn)對(duì)基體和噴涂層組織和性能進(jìn)行了分析。

2.1 噴涂基體組織及涂層分析

圖1為基體TP347金相組織，金相組織為奧氏體，靠近噴涂側(cè)的組織有局部細(xì)晶和孿晶，這可能與初始的表面瞬時(shí)高壓力噴涂有關(guān)，起到局部機(jī)械強(qiáng)化作用；圖2為WC/Co涂層截面掃描電鏡SEM（Scanning Electron Microscopy） 掃描圖，靠近最初噴涂側(cè)的WC/Co顆粒呈現(xiàn)碎化和細(xì)化形貌，這與基體側(cè)表面涂層金相組織分析基本一致。在比較遠(yuǎn)離基體的涂層表現(xiàn)為有原始噴涂粉末材料相類似的形貌，同時(shí)可以觀察到局部的過渡結(jié)合面[3]。結(jié)合界面在高速、高壓離子流作用下，表現(xiàn)為不平整的結(jié)合。

圖1 基體TP347金相組織

圖2 WC/Co涂層截面SEM面貌

2.2 涂層X射線衍射分析

利用X射線衍射分析儀對(duì)基體及涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)和相組成觀察分析。圖3為涂層的X射線衍射圖譜。

圖3 涂層的X射線衍射圖譜

涂層物相主要由3種組成，分別為WC、W2C、Co3WC；而原始的WC112Co粉末中基本不含W2C、Co3WC兩種物相，說明在噴涂過程中產(chǎn)生新的物相化。分析其原因，應(yīng)該是在高溫噴涂過程中，WC發(fā)生部分分解(2WC→W2C+C)，高溫噴涂顆粒局部脫碳氧化，未發(fā)現(xiàn)有氧化物殘留的衍射峰，說明脫碳氧化的部分變?yōu)镃O、CO2排放到空氣中，或者少量氧化物殘留在涂層中，含量非常少[4]，衍射譜未能發(fā)現(xiàn)。衍射峰也表明，涂層的大部分物相為WC，表明涂層的WC量分解也非常少，對(duì)噴涂過程中氧化作用有較明顯的抑制。

2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度及硬度分析

涂層硬度是反映涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，尤其是當(dāng)涂層用于耐磨損時(shí)，涂層硬度在一定程度上反映了涂層的耐磨性[5]，本次測試了涂層的結(jié)合強(qiáng)度和維氏硬度。結(jié)果見表2，涂層硬度最高可達(dá)1137/HV0.1/20，結(jié)合強(qiáng)度最大可達(dá)63.7 MPa。表明超音速火焰噴涂可以極大程度提高基體表面的耐磨損、耐腐蝕能力。涂層結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、密度大，且WC顆粒在涂層的保留率非常高。在噴涂過程中，高速粒子對(duì)基體的撞擊及高的熔滴溫度導(dǎo)致了基體及涂層間原子的互擴(kuò)散而造成涂層與基體的微冶金結(jié)合。涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度主要與基體或粘結(jié)層的表面活化程度、涂層邊界上的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，粉末熔點(diǎn)較高，流動(dòng)性好，熔化較為均勻，噴涂過程較為穩(wěn)定，有力地避免了在噴涂過程中出現(xiàn)粒子的未熔化和過熔化[6]，使粒子以很大的動(dòng)能和高塑性狀態(tài)形成噴涂粘結(jié)層，從而降低涂層與粘結(jié)底層間的殘余應(yīng)力，增強(qiáng)基體與涂層之間的活化程度，使涂層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度明顯提高。

表2 顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3 結(jié)論

a)基體TP347金相組織為奧氏體，靠近噴涂側(cè)的組織有局部細(xì)晶和孿晶，界面WC/Co顆粒呈現(xiàn)碎化和細(xì)化形貌，X射線衍射分析表明涂層物相主要由3種組成，分別為WC、W2C、Co3WC；噴涂過程中產(chǎn)生新的物相化。

b)涂層硬度最高可達(dá)1137/HV0.1/20，結(jié)合強(qiáng)度最大可達(dá)63.7 MPa。涂層結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、在噴涂過程中高速粒子對(duì)基體的撞擊及高的熔滴溫度導(dǎo)致了基體及涂層間原子的互擴(kuò)散而造成涂層與基體的微冶金結(jié)合。

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