TC27鈦合金超音速火焰噴涂WC-17Co耐磨涂層工藝研究

張業(yè)勤　齊立春　黃利軍　張文強(qiáng)　黃驛勝

摘? 要：針對(duì)TC27鈦合金采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備WC-17Co耐磨涂層，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究了氧燃比、丙烷流量、空氣流量、送粉速率、噴涂距離對(duì)顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率的影響，運(yùn)用極差分析法確定了最優(yōu)的噴涂工藝。研究表明：送粉速率對(duì)顯微硬度的影響最大，氧燃比對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響最大，空氣流量對(duì)孔隙率的影響最大。

關(guān)鍵詞：TC27鈦合金;超音速火焰噴涂;WC-17Co耐磨涂層;正交實(shí)驗(yàn);極差分析法

中圖分類號(hào)：TG174文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0120-03

Abstract： WC-17Co wear-resistant coating was prepared for TC27 titanium alloy by HVOF spray process. The influence of oxygen/fuel ratio， propane flow rate， air flow rate， powder feeding rate and spraying distance on micro-hardness， bending strength and porosity were investigated by orthogonal experiment. The optimum spraying process was determined by range analysis. The results revealed that the powder feeding rate has the greatest influence on the micro-hardness， the oxygen/fuel ratio has the greatest influence on the bending strength， and the air flow rate has the greatest influence on the porosity.

Keywords： TC27 titanium alloy; HVOF; WC-17Co wear-resistant coating; orthogonal experiment; range analysis

1 概述

TC27鈦合金[1]是北京航空材料研究院自主研發(fā)的一種新型高強(qiáng)高韌高淬透性近β型鈦合金，它具有比強(qiáng)度高、斷裂韌度好、成形性能好和抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于航空航天及兵器行業(yè)重要承力部件。但當(dāng)TC27鈦合金需要與其他材料（如鋼）構(gòu)件相連接時(shí)，因其表面硬度低、耐磨性差限制了使用。超音速火焰噴涂技術(shù)[2-4]是國(guó)外八十年代開(kāi)發(fā)出的熱噴涂技術(shù)，在國(guó)外尤其是航空領(lǐng)域得到了較深入的研究和廣泛的應(yīng)用。該工藝環(huán)保、無(wú)氫脆、對(duì)基體疲勞性能影響較小，可在鋼[5]、鈦[6]、鋁[7]表面制備致密度高、結(jié)合強(qiáng)度高的金屬和金屬陶瓷涂層，尤其在噴涂WC高耐磨性能涂層方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)也在TC4、TC18、TC21鈦合金上開(kāi)展了大量噴涂WC耐磨涂層的應(yīng)用研究。為了促進(jìn)TC27鈦合金得到廣泛應(yīng)用，本文針對(duì)TC27鈦合金進(jìn)行超音速火焰噴涂WC-17Co耐磨涂層工藝研究，達(dá)到涂層性能的同時(shí)不影響基體材料的關(guān)鍵力學(xué)性能，以保證防護(hù)涂層體系的安全、可靠。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

采用DJ2700型超音速噴涂（HVOF）設(shè)備制備耐磨涂層。基體材料為T(mén)C27鈦合金，噴涂材料選用Diamalloy 2005NS（WC-17Co）粉末。噴涂前先用丙酮進(jìn)行超聲波清洗，再用46目的棕剛玉磨料進(jìn)行表面噴砂處理，然后采用壓縮空氣除掉基體表面鑲嵌的砂粒。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

TC27鈦合金超音速火焰噴涂WC-17Co耐磨涂層工藝實(shí)驗(yàn)采用5因素4水平正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行， 實(shí)驗(yàn)的因素水平表如表1所示，其中因素A為氧燃比，因素B為丙烷流量，因素C為空氣流量，因素D為送粉速率，因素E為噴涂距離。正交實(shí)驗(yàn)以顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率作為評(píng)價(jià)耐磨涂層的考核指標(biāo)。

3 結(jié)果和討論

正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，通過(guò)直觀分析可知，第9組顯微硬度最高，對(duì)應(yīng)的因素水平是A3B1C3D4E2;第7組結(jié)合強(qiáng)度最高，對(duì)應(yīng)的因素水平是A2B3C4D1E2;第2組孔隙率最低，對(duì)應(yīng)的因素水平是A1B2C2D2E2。

為了獲得最優(yōu)的噴涂工藝，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表3所示。對(duì)于不同的耐磨涂層的考核指標(biāo)，五個(gè)因素對(duì)其的影響是不同的，不同指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工藝也是不同的，所以需要通過(guò)對(duì)各因素對(duì)不同指標(biāo)的影響程度進(jìn)行綜合分析，按照影響程度的主次關(guān)系得到綜合的最優(yōu)噴涂工藝。因素A氧燃比對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響是最大的，取A4水平比較好，但A4和A2相差不大，但對(duì)孔隙率的影響排在第二，取A2水平比較好，對(duì)顯微硬度的影響相對(duì)較小，綜合考慮確定因素A選取的最優(yōu)水平為A2。因素B丙烷流量對(duì)結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率而言都是取B2水平比較好，對(duì)顯微硬度而言取B3水平比較好，但B2和B3水平相差不大，綜合考慮確定因素B選取的最優(yōu)水平為B2。因素C空氣流量對(duì)孔隙率的影響是最大的，取C3水平比較好，但C3水平時(shí)顯微硬度最低，雖然從極差大小來(lái)看因素C對(duì)顯微硬度的影響最小，但因素A、B、C對(duì)顯微硬度的極差相差很小，因而因素C對(duì)顯微硬度的影響不能輕易忽視;因素C對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響排在第二，取C4水平比較好，但C4水平孔隙率太大，接近1%，也不可取，綜合考慮確定因素C選取的最優(yōu)水平為C2，顯微硬度最高，結(jié)合強(qiáng)度較高，孔隙率較低。因素D送粉速率對(duì)顯微硬度的影響最大，取D4水平比較好，但結(jié)合強(qiáng)度最低，孔隙率最低，再考慮到粉末沉積速度和利用率，綜合考慮確定因素D選取的最優(yōu)水平為D2。因素E噴涂距離對(duì)結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率而言都是取E2水平比較好，對(duì)顯微硬度而言取E3水平比較好，但E2和E3水平顯微硬度相差很小，綜合考慮確定因素E的最優(yōu)水平為E2。根據(jù)以上分析，考慮到各因素對(duì)不同指標(biāo)影響程度的大小以及服從多數(shù)原則，最終確定最優(yōu)的噴涂工藝為A2B2C2D2E2，即氧燃比為1，丙烷流量為35 FMR，空氣流量為40FMR，送粉速率為55g/min，噴涂距離為22.5cm。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）送粉速率對(duì)顯微硬度的影響最大，氧燃比對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響最大，空氣流量對(duì)孔隙率的影響最大。

（2）通過(guò)極差分析最終確定最優(yōu)的噴涂工藝為A2B2C

2D2E2，即氧燃比為1，丙烷流量為35FMR，空氣流量為40FMR，送粉速率為55g/min，噴涂距離為22.5cm。

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