超音速火焰噴涂WC－17Co涂層微觀結構與性能研究

崔永靜，王長亮，湯智慧，張曉云

（北京航空材料研究院，北京100095）

超音速火焰噴涂WC－17Co涂層微觀結構與性能研究

崔永靜，王長亮，湯智慧，張曉云

（北京航空材料研究院，北京100095）

采用超音速火焰噴涂技術噴涂了兩種不同WC顆粒尺寸的WC－17Co粉末。對制備的兩種涂層的硬度、孔隙率、斷裂韌性、結合強度和電化學腐蝕行為進行了測試。結果表明：具有亞微米結構WC顆粒的粉末制備的涂層，在硬度、孔隙率、斷裂韌性方面具有一定優勢，而含有大顆粒WC相的粉末制備的涂層在結合強度、腐蝕行為方面優勢明顯，這說明WC顆粒尺寸對涂層性能有顯著影響。

超音速火焰噴涂；WC；WC－Co涂層

超音速火焰噴涂（HVOF）工藝是20世紀80年代初期，由美國Browning Engineering公司推出的一種新型熱噴涂技術。HVOF的焰流溫度可達2700°C，焰流速度可達2000m／s。相對于等離子噴涂工藝來說，HVOF較低的焰流溫度和較高的焰流速度可以減少在噴涂過程中WC粉末顆粒的脫碳、氧化等反應。因而，HVOF工藝制備的WC－Co涂層具有高硬度，低孔隙率，與基體結合強度高（＞70MPa）等優點；與電鍍硬鉻涂層相比，耐磨性更好，對環境更加友好，對基體疲勞性能影響低。因此，在國內外尤其是航空領域得到了深入的研究和廣泛的應用，已成為制備 WC－Co系列耐磨涂層的首選工藝［1，2］。

噴涂粉末的形態、噴涂設備和噴涂參數對涂層性能都有極大影響。有研究表明［3，4］，納米和亞微米結構WC－Co涂層具有更高硬度和韌性，但是納米結構涂層存在致命的脫碳問題，產生的脆性W2C相將對涂層在定載荷下的耐磨性能造成損害，相關研究一直是領域內的熱點。

本工作針對兩種不同形態的 WC－17Co粉末，采用相同工藝參數制備HVOF涂層，通過對兩種涂層性能的對比，研究了不同粉末形態對涂層性能的影響，為進一步優化噴涂參數和噴涂粉末提供理論依據。

1 實驗

1.1 噴涂粉末及噴涂工藝參數

本實驗噴涂粉末選用不同公司生產的兩種團聚燒結 WC－17%Co粉末，粉末粒徑分布相同，均為10～45μm。實驗中兩種粉末分別簡稱為粉末G和粉末H，兩種粉末制備的涂層分別簡稱為涂層G和涂層H。

鈦合金試片，尺寸為100mm×25mm×1mm，經噴砂前處理后，采用超音速火焰噴涂技術制備涂層。燃氣為丙烷，噴涂工藝參數為氧氣流量19980L／h，丙烷流量4390L／h，空氣流量20000L／h，送粉速度45g／min，噴涂距離275mm。

1.2 測試方法

采用Quanta 600型環境掃描電子顯微鏡觀察粉末和涂層的顯微形貌，利用EDXS能譜儀分析涂層的化學成分，用X射線衍射技術分析粉末和涂層的相組成。

采用Struers Duramin型顯微硬度計測試涂層的顯微硬度，載荷為2.94N，加載時間15s，每個試樣測10個點，結果取10次的平均值。斷裂韌度測試時載荷為19.614N，每個試樣保證3個有效點。參照ASTMC 633—79標準的方法進行涂層結合強度的測試，用E－7膠將有涂層的試樣與對偶件噴砂后粘接，經120℃固化4h后，拉伸法在JDL－50KN型萬能電子拉力機上測量涂層的結合強度，每種涂層由3個試樣組成。涂層孔隙率測試采用金相處理軟件，連續選取10張涂層截面圖譜分析求取平均值作為孔隙率值。

電化學實驗采用鋼試樣，尺寸為50mm×15mm×1mm。通過測量涂層在3.5%NaCl溶液中的電化學腐蝕行為來表征涂層的耐蝕性。電化學實驗采用三電極系統，參考電極選用飽和甘汞電極，輔助電極選用碳棒，非測試區用3M膠帶密封，測試區面積為1cm2，掃描速度為1mV／s，利用動電位極化曲線的Tafel區確定腐蝕電位和腐蝕電流密度。

2 結果與討論

2.1 噴涂粉末的形貌

圖1為兩種粉末的掃描電子顯微（SEM）照片，圖1（a），（c）為兩種粉末的二次電子圖譜，圖1（b），（d）為相應的背散射電子圖像。對比兩種粉末的二次電子圖像，呈現典型的團聚燒結形貌，可以發現G粉末的球形度更好，兩種粉末的粒徑基本相同。背散射圖譜顯示粉末的元素襯度，觀察發現H粉末內部較為松散，且H粉末中大顆粒WC明顯較多，而G粉末WC顆粒較為細小，WC硬質顆粒為亞微米至納米級。

圖1 兩種粉末的SEM 照片 （a），（b）G粉末；（c），（d）H 粉末Fig.1 SEM images of the two powders （a），（b）G powder；（c），（d）H powder

2.2 涂層的截面形貌與相組成

圖2為兩種粉末及其涂層的XRD圖譜，可見兩種涂層中均存在WC相，且與粉末中WC相晶體結構保持一致。對比涂層和粉末的XRD圖譜，可以發現涂層中出現 W2C峰，這是由于在噴涂過程中 WC不可避免出現脫碳反應造成。H涂層的W2C峰強較低，表明H涂層脫碳程度比G涂層要低。同時可以發現相對于粉末中尖銳的Co峰，涂層中的Co峰呈現漫散狀態，表明Co相在噴涂過程中存在非晶化轉變，細致觀察可以發現在涂層45°附近區域存在漫散峰，分析認為可能是W－C－Co三元素形成的固溶體相。

涂層的SEM圖譜如圖3所示，可以看到超音速火焰噴涂兩種涂層組織均勻、細密，與基體界面無明顯孔隙、夾雜物等，界面結合良好。圖中橢圓框內為孔隙，白色亮點為WC顆粒，其間淺灰色相為富Co相。可以清楚地看到G涂層內部WC細小，分布較為均勻，涂層呈現典型的層狀結構，在層間分布有較多孔隙。H涂層明顯打破了這種層狀結構，內部存在較多大顆粒WC，這可能是在噴涂過程中熔點較低的Co相發生熔化，噴涂過程中相互碰撞形成堆積層，而具有較大動能的未熔WC顆粒打斷了這種堆積，嵌入到層之間從而形成了H涂層的結構。

圖2 兩種粉末及其涂層的XRD圖譜Fig.2 XRD images of the two powders and their coatings

2.3 涂層性能對比

2.3.1 硬度與孔隙率

從圖3可以看出兩種涂層都非常致密，金相分析法測量兩種涂層的孔隙率分別為0.37%和0.75%，均小于1%。兩種涂層的硬度值如圖4所示，G涂層硬度為HV1198比H涂層HV1031高約15%。

圖3 兩種涂層的截面SEM 照片 （a），（b）G涂層；（c），（d）H 涂層Fig.3 Cross sectional images of the two coatings （a），（b）G coating；（c），（d）H coating

圖4 兩種涂層顯微硬度和孔隙率對比Fig.4 Porosity and micro－hardness comparisons of the two coatings

采用壓痕法表征涂層的斷裂韌性，采用金剛石維氏壓頭，載荷為19.614N，測得3個壓痕裂紋平均值計算斷裂韌度。壓痕形貌見圖5所示，可以看到裂紋沿與涂層界面平行方向發展，在WC硬質顆粒處終止。裂紋參數見表1。0.6＜c／a＜4.5，符合Evans ＆Wilshaw［5］公式的使用條件，公式如下：

其中KIC為斷裂韌度，P為載荷，a為壓痕半對角線長，c為壓痕中心到裂紋尖端長。

H涂層的斷裂韌度為3.33MPa·m0.5，小于G涂層4.85MPa·m0.5，顯然G涂層中均勻分布的亞微米至納米級的WC顆粒起到了韌化的效果。觀察裂紋擴展路徑，可以發現H涂層裂紋沿涂層中的富Co相區發展，這可能是Co相在噴涂過程中發生非晶化轉變，出現脆化降低涂層韌度導致的；對于G涂層，除去壓痕尖端裂紋外，還發現另外兩條裂紋（如圖5中箭頭所示），在大載荷作用下，裂紋明顯沿層狀結構發展，表明涂層層間結合較弱，這對涂層使用非常不利。通過后處理能否消除H涂層的非晶化轉變以及如何改善G涂層的層間結合力將會是下一步的工作重點。

圖5 兩種涂層壓痕形貌SEM圖譜 （a）G涂層；（b）H涂層Fig.5 SEM images showing indentation crack of the two coatings（a）G coating；（b）H coating

表1 19.614N載荷下涂層的斷裂參數Table 1 Fracture toughness parameters of the coatings under load of 19.614N

2.3.2 結合強度

參考ASTMC633標準，測得的兩種涂層的結合強度如表2所列，測試可以發現H涂層結合強度達到84.8MPa，顯著大于G涂層，且各試樣均為膠界面斷裂。G涂層結合強度波動較大，結合前面分析認為G涂層層間結合力較低影響涂層的整體結合強度。涂層結合力的大小與顆粒的熔化狀態有關，局部半熔化狀態的顆粒顯示較高結合力，同時局部融化狀態的顆粒在高速焰流的作用下對基體產生噴丸效應，導致壓應力的產生，亦有利于結合力的增加。對于G粉末WC顆粒較小，粉末融化狀態較高，且噴丸效應較小，形成G涂層層狀結構，層間分布的孔隙導致結合力較為脆弱，易發生斷裂，因此結合強度較低。

表2 涂層的結合強度Table 2 Adhesive strength of the coatings

2.3.3 腐蝕行為

動電位掃描極化曲線如圖6所示，采用Tafel外推法確定腐蝕電位Ec和腐蝕電流密度Ic，結果見表3所示。可見三者腐蝕電位的排序為G涂層＞基體＞H涂層，表明H涂層傾向于優先于基體發生腐蝕，而對于G涂層則傾向于基體優先發生腐蝕。G涂層的腐蝕電流密度要大于H涂層，由于兩涂層孔隙率較低且均不存在裂紋或通孔，因此可以認為極化曲線反映涂層的本征腐蝕抗力。G涂層孔隙率雖然較低，但與H涂層不同，它孔隙大多出現在層間，孔隙較容易集中形成微裂紋，有研究表明［6，7］微裂紋的存在對腐蝕性能有較大影響。

圖6 兩種涂層的極化曲線Fig.6 Polarization curves of the two coatings

表3 外推法測得的腐蝕參數Table 3 Corrosion parameters estimated from the polarization curves

3 結論

（1）HVOF噴涂具有亞微米結構WC顆粒的G粉末，獲得的涂層呈典型的層狀結構，涂層硬度更高，孔隙率更低，同時涂層斷裂韌度較大，但是層間結合力低，脫碳趨勢較大。

（2）對于 WC顆粒粒徑較大的H粉末，在噴涂過程中噴丸效應顯著，涂層層狀結構減弱，涂層結合強度提高，表面殘余壓應力較大，耐蝕性能更好。

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Microstructure and Performance of WC－17Co Coatings Fabricated by High Velocity Oxy－fuel Spraying

CUI Yong－jing，WANG Chang－liang，TANG Zhi－hui，ZHANG Xiao－yun
（Beijing Institute of Aeronautical Material，Beijing 100095，China）

Different structural WC－17Co coatings were deposited by high velocity oxy－fuel（HVOF）spraying.The properties of the two coatings were tested，and the effect of WC size on the performance of the coatings was investigated.The results indicated that G coating，which had submicron WC particle，showed more advantages in hardness，porosity，and fracture toughness，while H coating with bigger WC particle had excellent performance in adhesive strength and corrosion resistance.Obviously，the WC particle size showed great influence to the coating properties.

HVOF；WC；WC－Co coating

TG174.442

A

1001－4381（2011）11－0085－04

2010－12－09；

2011－07－05

崔永靜（1984－），男，碩士研究生，從事熱噴涂技術方面的研究工作，聯系地址：北京航空材料研究院表面腐蝕與防護研究室（100095），E－mail：cuiyongjing＠126.com