HVAF噴涂WC-10Co4Cr涂層及其性能

周夏涼陳小明吳燕明12王莉容34趙 堅34劉 偉12

(1. 水利部產品質量標準研究所，杭州 310012； 2. 浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，杭州 310012；3. 水利機械及其再制造技術浙江省工程實驗室，杭州 310012； 4. 水利部杭州機械設計研究所，杭州 310012)

熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料(粉末、絲材)加熱到熔化或者半熔化狀態，并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法[1-2]。美國Browning Engineering公司在20世紀80年代初首先推出以氧氣為助燃氣體的高速熱噴涂技術(HVOF)[3]，該技術的焰流溫度高(2 000～3 000 ℃)，粉末氧化傾向大，不利于涂層的性能[4-5]。以空氣為助燃氣體的高速熱噴涂技術(HVAF)采用空氣替代氧氣，焰流溫度較低(低于2 000 ℃)，但粒子噴射速度較高，這大大降低了粉末氧化傾向[6]，可以獲得氧化程度低、性能優良的涂層。

研究表明，目前用HVOF熱噴涂法制備的碳化

鎢金屬陶瓷涂層結構致密、耐磨性能優良[7-9]，并已在機械、冶金、航空航天等領域獲得了廣泛應用[10-12]，但對于HVAF熱噴涂法制備碳化鎢金屬陶瓷涂層的研究相對較少。為此，本工作分別采用HVOF和HVAF兩種熱噴涂法制備WC-10Co4Cr金屬陶瓷涂層，對比分析了兩種方法所得涂層的物相組成、微觀組織、硬度、結合力、耐蝕性、抗沖蝕性能，并探討了涂層結構特征對涂層在含沙水流中沖蝕機理的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的基體材料為06Cr13Ni4Mo不銹鋼，將其制成尺寸為150 mm×100 mm×4 mm的試樣。用丙酮和乙醇對噴涂基體表面進行超聲波清洗以除油、除污，再用0.55 mm的白剛玉對噴涂面進行噴砂(粗化處理)。WC-10Co4Cr金屬陶瓷涂層的原料為WC-10Co4Cr粉末(以下稱粉末)，其中用于HVOF熱噴涂的粉末粒徑為15～45 μm；用于HVAF熱噴涂的粉末粒徑為5～30 μm。

1.2 涂層制備

分別采用AK-06 HVAF熱噴涂系統和HV-50 HVOF熱噴涂系統制備WC-10Co4Cr涂層，制備的WC-10Co4Cr涂層分別簡稱HVAF涂層和HVOF涂層。HV-50 HVOF熱噴涂系統采用航空煤油為燃料，氧氣作為助燃氣體，氮氣作為送粉載氣。AK-06 HVAF熱噴涂系統以丙烷、氧氣作為燃氣，壓縮空氣作為助燃氣體，氮氣作為送粉載氣。兩種熱噴涂工藝的具體參數如表1和表2所示。

表1 HVAF的工藝參數Tab. 1 The parameters of HVAF

表2 HVOF的工藝參數Tab. 2 The parameters of HVOF

1.3 試驗方法

對涂層試樣進行研磨和拋光后，采用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度儀測涂層的顯微硬度，載荷為1.96 N，加載時間10 s，結果取10次測試的平均值。采用KMM-500金相分析儀測涂層的孔隙率，結果取3次測試的平均值。涂層的結合強度按照GB/T 8642-2002《熱噴涂 抗拉結合強度的測定》標準進行測試，結果取3個測試數據的平均值。使用X′Pert PRO型X射線衍射儀(XRD)對粉末和涂層的物相結構進行分析。采用Zeiss Supra55掃描電子顯微鏡(SEM)觀察粉末和涂層的形貌。

用SQC-200料漿沖蝕磨損試驗機對涂層的抗沖蝕性能進行檢測，試樣尺寸為18.7 mm×18.7 mm。沖蝕試驗機主軸轉速為1 200 r/min，漿料中石英砂含量為40%(質量分數)，試驗時間為10 h。將試樣固定在夾具上，在夾具圍繞主軸高速旋轉的過程中，試樣表面與漿料相互作用，以模擬水輪機表面在含泥沙水流中的沖蝕狀況，采用精度為0.000 01 g的分析天平每隔2 h稱量一次試樣，得到試樣的沖蝕失重曲線，并計算兩種涂層的相對沖蝕率(涂層的質量損失與基體質量的比值)。

2 結果與討論

2.1 粉末的形貌和物相

HVAF熱噴涂用粉末粒徑為5～30 μm，其微觀形貌如圖1所示。結果表明，HVAF熱噴涂用粉末的球型度好，表面密實，在高倍下粉末結構致密，WC晶粒形狀不規則，晶粒尺寸為100～500 nm。HVOF熱噴涂用粉末粒徑為15～45 μm，其微觀形貌如圖2所示。結果表明，HVOF熱噴涂用WC-10Co4Cr粉末的球型度較差，表面疏松多孔，在高倍下粉末結構存在孔隙，WC晶粒較大，晶粒尺寸為400～800 nm。

對HVAF和HVOF熱噴涂前后的WC-10Co4Cr粉末和涂層進行XRD分析，結果分別見圖3和圖4。從XRD圖譜中可以看出：兩種粉末中僅出現了WC相和Co相；而兩種涂層存在WC相和W2C相，未見Co相。這可能是由于噴涂過程中熔融顆粒撞擊基體表面后，粒子迅速冷卻形成非晶或納米晶相[13]，表現為40～45°間形成一個較寬泛的衍射峰。在HVAF涂層中W2C相衍射峰較弱，而HVOF涂層中W2C相衍射峰較強。W2C相的存在說明兩種熱噴涂方法所制備的涂層在制備過程中都發生了WC脫碳分解[14-15]，且HVAF熱噴涂過程中氧化脫碳分解較弱。

2.2 涂層的形貌

從圖5可以看出：HVAF涂層表面的粒子細小，且堆積緊密；而HVOF涂層表面的粒子粗大，堆積不緊密，存在許多孔洞。HVAF熱噴涂用粉末的粒晶較小，且WC晶粒細，比表面積大，活性高，在噴涂過程中高速撞擊表面時更容易扁平化，形成致密的涂層。

(a) 低倍

(b) 高倍圖1 HVAF熱噴涂用粉末的微觀形貌Fig. 1 Micro morphology of powders for HVAF at low (a) and high (b) magnifications

(a) 低倍

(b) 高倍圖2 HVOF熱噴涂用粉末的微觀形貌Fig. 2 Micro morphology of powders for HVOF at low (a) and high (b) magnifications

圖3 粉末和涂層的XRD譜(HVAF)Fig. 3 XRD patterns of powders and coating for HVAF

圖4 粉末和涂層的XRD譜(HVOF)Fig. 4 XRD patterns of powders and coating for HVOF

(a) HVAF涂層

(b) HVOF涂層圖5 兩種涂層的表面形貌Fig. 5 Surface morphology of two kinds of coatings: (a) HVAF coating; (b) HVOF coating

從圖6可以看出：涂層中的白色物相為WC顆粒，其間的淺灰色相為富Co相，橢圓框內為孔隙；HVAF涂層的組織致密，孔隙率低，無明顯層狀結構，且WC顆粒細小，均勻分布在黏結相中，這種均勻的組織結構有利于提高涂層的力學性能；HVOF涂層的組織中存在較大孔洞，且WC顆粒大小不均勻，小顆粒WC存在富集現象，這可能與原料粉末中WC顆粒大小不一有關。

(a) HVAF涂層

(b) HVOF涂層圖6 兩種涂層的截面形貌Fig. 6 Cross section morphology of two kinds of coatings: (a) HVAF coating; (b) HVOF coating

2.3 涂層的顯微硬度及孔隙率

從表3可以看出：HVAF涂層的顯微硬度為1 312 HV，孔隙率為0.77%；而HVOF涂層的顯微硬度為1 267 HV，孔隙率為0.89%。由于HVAF涂層的組織致密，晶粒細小，晶界多，可以起到強化組織的作用，且氧化脫碳程度也比HVOF涂層的弱，因此HVAF涂層表現出較好的顯微硬度和致密度。

2.4 涂層的抗沖蝕性能

從圖7可以看出：兩種涂層由沖蝕引起的質量損失遠遠小于基體的，均表現出良好的抗沖蝕性能；在試驗過程中，HVAF涂層的質量損失始終小于HVOF涂層的，說明HVAF涂層的抗沖蝕性能優于HVOF涂層的。

表3 兩種涂層的顯微硬度和孔隙率Tab. 3 Micro-hardness and porosity of two kinds of coatings

圖7 兩種涂層與基體的沖蝕失重曲線Fig. 7 Erosion mass loss curves of two kinds of coatings and matrix

將涂層的質量損失與基體進行比較，得到兩種涂層的相對沖蝕率，如圖8所示。曲線數據顯示：在試驗初期，由于漿料沖蝕兩種涂層迅速磨損，隨著時間的延長，兩種涂層的相對沖蝕率緩慢減小。涂層的表層裸露在外，相對涂層內部而言，組織相對疏松，結合強度低。在試驗開始階段，涂層的表層易被泥沙沖蝕掉，隨著表層疏松組織的沖蝕磨損，內部相對致密的組織顯露出來，對基體起到更好的保護作用，使得相對沖蝕率有所降低。HVAF涂層在漿料沖蝕磨損試驗進行8 h時具有最小的相對沖蝕率，其值為6.59%；而HVOF涂層在漿料沖蝕磨損試驗進行6 h時具有最小的相對沖蝕率，其值為7.50%。這也反映出HVAF涂層的抗沖蝕性能優于HVOF涂層的。隨著試驗時間的進一步延長，兩種涂層的相對沖蝕率都呈現明顯增大的趨勢。這主要是因為部分區域的涂層組織已被磨損，使得基體裸露在外，失去了涂層保護的基體在泥沙的沖蝕下迅速磨損，所以試樣的相對沖蝕率顯著增大。

從圖9可以看到：兩種涂層沖蝕后，表面出現了裸露在外的白色WC顆粒，同時存在一些犁溝、凹坑和裂紋。在漿料的不斷沖擊下，涂層中的黏結相因受到沖刷粒子的微切削和犁削作用而脫落。漿料中的砂粒硬度大，會對涂層中的黏結相造成嚴重的切削作用，黏結相被切削后，WC顆粒裸露在涂層表面。隨著表層黏結相的逐漸減少，其對表層WC顆粒的黏結作用也漸漸減弱，并在隨后的粒子沖擊下產生疲勞開裂，并最終脫落，形成凹坑。比較兩種涂層沖蝕后形貌發現，沖蝕后HVAF涂層表面較為平整，且WC顆粒細小，而HVOF涂層表面裸露的WC顆粒較大。WC顆粒度細小，粒子間結合面增多，可以對黏結相起到了很好的“釘扎作用”，有助于提高了涂層的顯微硬度和韌性，高硬度可增強涂層的耐微切削和犁削性能，良好的韌性可有效吸收沖蝕粒子的沖擊能量[16]，進一步提高了涂層的抗沖蝕性能。

圖8 兩種涂層的相對沖蝕率Fig. 8 Relative erosion rates of two kinds of coatings

(a) HVAF涂層

(b) HVOF涂層圖9 兩種涂層表面沖蝕形貌Fig. 9 Surface morphology of two kinds of coatings after erosion： (a) HVAF coating; (b) HVOF coating

3 結論

(1) 分別利用HVAF和HVOF兩種熱噴涂方法制備WC-10Co4Cr金屬陶瓷涂層，采用HVAF方法制備的涂層致密度好，其在顯微硬度和抗沖蝕性能方面要優于HVOF方法制備的涂層。

(2) HVAF熱噴涂制備的WC-10Co4Cr涂層在其堆積過程中扁平化程度比HVOF熱噴涂制備的涂層更高，氧化脫碳程度更低。

(3) 在漿料(含有泥沙流水)環境的作用下，WC-10Co4Cr涂層的沖蝕機制以切削和疲勞剝落為主，而WC顆粒細化提高了涂層的顯微硬度和韌性，有助于增強涂層的抗沖蝕性能。