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有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 5 7 超音速等离子喷涂W C C o 涂层的冲蚀磨损机理研究 蔡江1 ,魏伟1 ,王海军2 1 .北京矿冶研究总院,北京1 0 0 0 4 5 ;2 .装甲兵工程学院装备再制造国防科技重点试验室,北京1 0 0 0 7 2 摘要用超音速等离子喷涂 H E P J e t 和两种进口高速氧燃气火焰喷涂设备 J P 一5 0 0 0 和D J 一2 7 0 0 制备 W G C o 涂层,进行了3 0 。 和9 0 。 攻角的冲蚀磨损对比试验,分析了涂层的S E M 磨损形貌。结果表明 超音速等离子喷涂W G C O 涂层抗冲蚀性能与J P 一5 0 0 0 相当,要优于D J 一2 7 0 0 ;在3 0 。 冲蚀磨损条件 下,W G C O 涂层的失效行为表现为疲劳剥落和微切削2 种特征;在9 0 。 冲蚀磨损时,涂层的失效主要是 垂直表面的磨粒冲击力导致涂层疲劳剥落。 关键词超音速等离子喷涂;H V O F ;W G C o 涂层;冲蚀磨损 中图分类号T G l 7 4 .4 4 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 5 7 一0 6 S t u d yo nE r o s i o nW e a rM e c h a n i s m so fW C - C oC o a t i n g s P r e p a r e db yS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y i n g C A IJ i a n 9 1 ,W E lw e i l ,W A N GH a i - j u n 2 1 .B e i i i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y 。B e i i i n g1 0 0 0 4 4 ,C h i n a ; 2 .S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR e m a n u f a c t u r eT e c h n o l o g y ,A r m o r e dF o r c eE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ,B e i j i n g1 0 0 0 7 2 ,C h i n a A b s t r a c t T h eW C - 1 2 C oc o a t i n g sw e r es p r a y e db yd i f f e r e n ts u p e r s o n i ct h e r m a ls p r a y i n gp r o c e s s e so fS u p e r s o n i c P l a s m aS p r a y i n g H E P J e t a n dt w ok i n do fH V O F J P 一5 0 0 0 ,D J 一2 7 0 0 .T h ec o n t r a s tt e s te r o s i o no f3 0 。 o r 9 0 。 j e ta n g l ea r ec a r r i e do u t ,a n dt h es u r f a c eS E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n g si sa l s oa n a l y z e d .T h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eW C C oc o a t i n g s ’m a i np r o p e r t i e sb yt h eS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a yw a se q u i v a l e n tt oj P 一5 0 0 0 ,a n d b e t t e rt h a nD J 一2 7 0 0 .A t3 0 。 j e ta n g l e s ,e r o s i o nw e a rb e h a v i o ro fW C C oc o a t i n gp r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm i c r o c u t t i n ga n ds c a l ee x f o l i a t i o n ;A t9 0 。 j e ta n g l e s ,t h ec o a t i n g sp r e s e n tt h ef a t i g u ed e s q u a m a t ed u et o t h eu p r i g h tw a l l o po fp a r t i c l e so nt h ec o a t i n gs u r f a c e . K e y w o r d s S u p e r s o n i cp l a s m as p r a y i n g ;H V O F ;W C 一1 2 C oc o a t i n g s ;E r o s i o n 超音速等离子喷涂相对于普通等离子喷涂,射 流速度大幅度提高,获得的W C C o 涂层的显微硬 度、结合强度和致密度等方面也相应大幅度提高。 这方面与高速氧燃气火焰喷涂 H i g hV e l o c i t yO x y . F u e l ,简称H V O F 制备的W C C o 涂层有相似的特 点。本文与目前应用较多的进口D J 一2 7 0 0 型和J P 一 5 0 0 0 型H V O F 工艺进行W C C o 冲蚀磨损性能对比 研究,探讨超音速等离子喷涂W C C o 涂层的特性。 涂层的冲蚀磨损是由具有一定动量的磨粒冲击 涂层的表面,引起材料脱离母体的流失过程uJ 。磨 作者简介蔡江 1 9 7 4 一 ,男,黑龙江佳木斯人,工程师,硕士 粒冲击到涂层上,除入射速度低于某一临界值外,一 般都会造成涂层的冲蚀破坏。耐磨性或耐冲蚀性反 比于一定工作环境下,单位重量的磨粒冲击材料表 面造成的重量或体积损失 通常称为冲蚀率 。材料 的冲蚀失重与粒子的攻角有密切关系,可以根据冲 蚀率随攻角变化把材料的冲蚀破坏分为两类即塑 性材料和脆性材料的冲蚀破坏。当粒子攻角为2 0 - - 3 0 。 时,典型的塑性材料冲蚀率达到最大,而脆 性材料的最大冲蚀率出现在接近9 0 。 处旧J 。 万方数据 5 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 l试验材料与方法 1 .1 试验材料 试验用粒度一0 .0 4 3m m ~ 0 .0 3 8m m 、呈明 显多角状的W C 一1 2 C o 团聚烧结粉末。基体材料为 4 5 钢,扫描电镜试样和冲蚀磨损试样的尺寸为2 5 m m 1 6m m 6m m o 1 .2 试验方法 超音速等离子喷涂采用装甲兵工程学院最新研 制的H E P J e t 超音速等离子喷涂设备,超音速火焰 喷涂采用的是两种进口H V O F 设备 j P 一5 0 0 0 和D J 一 2 7 0 0 ,其中J P 一5 0 0 0 是用航空煤油作燃料,而D J . 2 7 0 0 是用丙烷作燃料气体。喷涂工艺参数见表1 。 喷涂前先用丙酮清洗试样表面,然后用0 .8 3 3 Q u a n t a2 0 0 型扫描电镜 S E M 分析喷涂用粉末、涂 层的喷涂态和磨损表面、截面的形貌特征,为降低切 割过程对涂层的破坏和涂层的非自然缺陷,所有截 面的扫描电镜试样均由钼丝线切割来完成,并严格 按金相制样标准进行研磨和抛光。使用G e n e s i s 型 X 射线能谱仪 E D S 分析粉末和涂层表面和截面的 化学成分。 冲蚀磨损试验是参照A S T MG 7 6 9 5 标准在 全军装备维修表面工程研究中心研制的G W /C S M S 冲蚀试验机上进行。试验条件大气环境,常 温,磨料为棕刚玉,粒度为0 .4 0 ~0 .2 2m m ,在压缩 空气压力为0 .1 5M P a 下测得的磨粒速度为1 1 1 m /s ,攻角选择3 0 。 和9 0 。 ,每5 0g 磨粒量为一个 冲蚀单位。采用精度为0 .1m g 的B S 2 1 0 S 型分析 m m 的棕刚玉磨料对试样表面粗化处理。采用天平称量试样的冲蚀磨损失重。 表1 喷涂工艺参数 T a b l e1 T e c h n i q u e sp a r a m e t e r so fs p r a y i n g 2 试验结果与讨论 2 .1 粉末和涂层微观结构分析 图l 为粉末的S E M 形貌和E D S 能谱,粉末呈 明显的多角状,细小的W C 颗粒被C o 紧密地粘结 成块状,粉末结构较致密,粒度分布均匀。 f b 、 , ‘CC o l q l 。L C oW - 一.~一。。。。.⋯一⋯上⋯.』 图1 粉末的S E M 形貌 a 和E D S 能谱 b F i g .1S E Mm o r p h o l o g y 【a a n dE D Ss p e c t r a b o fp o w d e r 图2 为涂层的断面S E M 形貌,可看出3 种超音W C 颗粒; C 图涂层与基体界面结合处有些裂纹和 速喷涂工艺获得的涂层均无明显分层、裂纹和较大分离现象,而 a 图超音速等离子喷涂制备的涂层则 的孔洞,但相对而言 b 图涂层显得比较疏松,疏松显得更为致密,涂层与基体结合紧密,界面没有明显 区内可观察到许多未与C O 充分粘合的细小分散的缺陷。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 5 9 a H E P J e t b D J 一2 7 0 0 图2W C .C o 涂层的横截面S E M 形貌 F i g .2 T h ec r o s s - s e c t i o nS E Mm o r p h o l o g yo fW C - C oc o a t i n g s 2 .2 涂层常规性能试验 图3 为W C - C o 涂层抗冲蚀曲线,在两种攻角4 0 0 下,H E P J e t 喷涂层的冲蚀失重明显低于D J 一2 7 0 0 3 0 0 喷涂层,略低于J P 一5 0 0 0 喷涂层,相比较而言, 暑2 0 0 H E P J e t 喷涂层具有优良的耐冲蚀性能;而3 种工艺0 ...11 0 0 在9 0 。 攻角下的冲蚀失重又明显高于攻角3 0 。肇0 的失重,说明W C C o 涂层为典型的脆性材料。 暑⋯ 2 .3 三种涂层冲蚀磨损试验结果与分析,呈⋯ 三种涂层试样在冲蚀磨损试验前后的表面形貌 ... 特征见图4 ~6 。由图4 可见,三种原始喷涂态涂层。 的表面都较为平整,W C 硬质颗粒镶嵌在熔化良好 的基体上的特征明显。图5 和图6 分别为在攻角 3 0 。 和9 0 。 下的冲蚀磨损形貌,冲蚀磨损后的涂 层表面凸凹不平,存在很多冲蚀坑,冲蚀坑周围有磨 粒冲刷和涂层剥离的痕迹。 ’ 05 0 1 0 01 5 02 0 02 5 0 A b l z s i v ew e i g h t | g 图3W C .C o 涂层抗冲蚀曲线 F i g .3 E r o s i o nw e a r - r e s i s t a n c e c u r v eo fW C - C oc o a t i n g s J e t b D J - 2 7 0 0 c J P 图4 喷涂态涂层的表面S E M 形貌 F i g .4 T h es u r f a c eS E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n g sb e f o r ee r o s i o nw e a r 2 .3 .1 攻角为3 0 。 的冲蚀磨损特点 在3 0 。 冲蚀角条件下,涂层冲蚀磨损主要是 微观切削、犁沟变形和微观疲劳剥落特征 图5 。 磨料颗粒的切向分速度主要产生切削和犁削效 应,垂直分速度主要产生锤击效应,但随着冲蚀过程 的进行,冲蚀颗粒垂直速度分量仍会在涂层中产生 脉动疲劳应力,导致涂层次表面裂纹的萌生和扩展, 最终导致颗粒或片状涂层剥落‘3 4 | 。从图5 a 至5 C 还可看出,磨损面上既有细而长的犁沟变形脊又 有剥落坑,这说明W C 一1 2 C o 涂层中软基体相C o 万方数据 6 0 - 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 支撑W C 硬质颗粒,在冲蚀磨损条件下,软基体先 被选择冲蚀,然后突出来的硬W C 颗粒被拔出而剥 落,所以各图中的磨损表面的磨痕主要是由硬质磨 粒在磨面上显微切削形成的擦伤和反复冲击产生的 犁沟和硬质颗粒剥落坑组成。当磨粒有锐利棱角和 适当迎角时,磨粒像刀具一样对材料进行切削而形 成切屑。 图53 0 。 攻角下的涂层表面S E M 形貌 a H E P J e t ; b m 一2 7 0 0 ; c J P 一5 0 0 0 F i g .5 T h es u r f a c eS E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n g sa f t e re r o s i o nw e a ra t3 0 。 j e ta n g l e s a H E P J e t ; b D J 一2 7 0 0 ; c J P 一5 0 0 0 9 矿攻角下酌孺表面S E M 形掰研H E P J e t ; b D I J 一2 7 0 0 ;0 c J P 一5 0 0 0 F i g .6 T h es u r f a c eS E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n g sa f t e re r o s i o nw e a ra t9 0 。 j e ta n g l e s a H E P J e t ; b D J 一2 7 0 0 ; c J P 一5 0 0 0 当磨粒的形状与位向不利于切削时,则磨粒在 一定动量下进行滑动时,主要在涂层上产生犁沟,把 表层金属推向两侧和前面而挤成脊隆。再经随后其 它磨粒的反复冲击,导致裂纹的成核和扩展,最后以 片状磨屑形式断裂脱落,这就是塑性犁沟变形机理。 几种W C 一1 2 C o 涂层的冲蚀磨损形貌中均发现了 微裂纹,这是由于在冲蚀磨损试验过程中,磨粒高速 冲击,使磨粒与涂层中的硬质点发生高应力碰撞,若 两者不存在相对滑动时,则磨粒棱角会刺入涂层表 面形成压坑并将坑中的粘结相挤出发生塑性变形, 磨粒多次冲击涂层中的硬质颗粒,使涂层表面产生 微裂纹,最后碎裂脱落。这就是微观剥落磨损机理 和疲劳磨损机理,见图5 b 和5 c 。 虽然3 0 。 攻角下的冲蚀表面存在许多犁沟和 碎屑,有的区域还出现了局部塑性变形,但从图7 涂 层的冲蚀磨损横截面S E M 形貌中也可以清楚地看 到涂层次表面下的裂纹,可以认为磨粒撞击涂层表 面,在涂层次表面形成脉动循环应力,该应力促使裂 纹沿弱结合面发生扩展,当裂纹相互贯通时,导致粒 子剥落。在小角度冲蚀的条件下磨料粒子对涂层的 微切削、犁削和碳化物的剥落虽对涂层的冲蚀磨损 有一定的作用,尽管随着角度的减小磨料的微切削 和犁削作用将明显增强,但这并没有引起涂层冲蚀 的增加,相反随着冲蚀角度的减小,冲蚀失重反而下 降。这说明磨粒对涂层的垂直冲击作用对冲蚀起着 主导作用。随着冲蚀角度的减小,颗粒对涂层的垂 直冲击作用降低,是涂层冲蚀率减小的直接原因,因 此涂层的层状结构特怔和层问存在未结合和弱结合 界面的特点,使得在磨粒的冲击下涂层粒子层问产 生裂纹并扩展,最终导致粒子沿层问剥落,成为涂层 冲蚀磨损的主要失效。 2 .3 .1 攻角为9 0 。 的冲蚀磨损特点 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 6 1 还有切削和犁削的痕迹,图6 b 表现得更为明显, 这是因为磨粒的形状不规则,在高速冲击和互相碰 撞下,形成不同的飞行轨迹,呈现出同3 0 。 攻角相 同的磨损特征。 图6 中的各图都有微观裂纹的存在,这是由于 高速冲击的磨粒对涂层表面的锤击可导致其涂层内 部产生疲劳应力。因为喷涂涂层的层状结构和涂层 层间界面呈现较弱的机械结合界面的特性,以及片 层间存在氧化夹杂和孔洞等缺陷,一方面容易形成 图7 攻角为3 0 。 的W C 一1 2 C o 涂层的 应力集中,另一方面涂层的层问结合强度远小于涂 冲蚀磨损截面S E M 形貌 层扁平状粒子本身的断裂强度。因此在大量粒子连 F i g 7T h es u r f a c eS E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n g s 续冲击下容易形成疲劳裂纹,裂纹沿涂层内部的亚 a f t e re r o s i o nw e a ra t3 0 。 j e ta n g l e s 表面或界面快速向涂层内部扩展,当裂纹扩展与另 在9 0 。 攻角条件下,磨料颗粒对涂层的冲蚀 一裂纹相遇时,即造成涂层呈片状剥落[ 5 | 。 主要表现为锤击效应,此时涂层的冲蚀磨损主要表 图8 为9 0 。 攻角下的W C - C D 涂层的冲蚀磨损 现出疲劳剥落特征 图6 。 截面S E M 形貌,可清楚地看到在冲蚀表面的次表 如图6 所示,三张图片中都有因磨粒垂直冲击 面下,出现了平行于涂层表面的裂纹,且长度较长, 而形成的蚀坑,图6 b 和6 c 中可看到磨粒嵌入涂 这是由于涂层为层状结构,扁平粒子闻存在未结合 层中,并且图6 c 有大片涂层剥落的痕迹,而且凹 区 裂纹或孑L 隙 或弱结合界面,在冲蚀磨料粒子的 坑内还有与粘结相未充分熔合的细小的W C 颗粒; 冲击作用下,裂纹沿着层间弱结合界面扩展,从扁平 在图6 a 中也可看到一些片状涂层断裂和剥落的 粒子周边未结合或结合较弱的区域扩展到涂层冲蚀 痕迹,但涂层整体显得韧性较好,融化充分。各图中 表面,导致涂层剥落‘6 | 。 图8 攻角为9 0 。 的W C .C o 涂层的冲蚀磨损截面S E M 形貌 F i g .8 T h es u r f a c eS E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n g sa f t e re r o s i o nw e a ra t9 0 。 j e ta n g l e s .,,.。 冲击力导致涂层疲劳剥离; 。 一⋯ 4 超音速等离子喷涂和超音速火焰喷涂都是 1 三种涂层组织结构分析表明,超音速等离子通过大幅度提高喷涂颗粒的速度来获得高质量的涂 喷涂涂层质量要好于另两种超音速火焰喷涂喷涂涂层,但超音速等离子喷涂射流参数调节范围宽,既可 层;喷涂低熔点的金属材料,也可喷涂高熔点的各种陶 2 超音速等离子喷涂层冲蚀失重与J p 一5 0 0 0瓷材料。相对而言,超音速火焰喷涂由于其射流温 相当,优于D J 一2 7 0 0 ;度低,难以喷涂一些难熔金属和陶瓷,且由于消耗的 3 在3 0 。 冲蚀磨损条件下,W C C o 涂层的失燃气量巨大,喷涂成本也高于超音速等离子喷涂。 效行为表现为疲劳剥落和微切削2 种特征;在9 0 。因此超音速等离子喷涂技术有良好的推广应用前 攻角下,W C C o 涂层的失效主要是垂直表面的磨粒 景。 下转7 3 页 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 7 3 图3 磨损示意图 F i g .3 S c h e m a t i cp l a no fa b r a s i o nt e s t 层磨损量较母材磨损量大幅度减少,即堆焊层耐磨 性能较高,通常认为焊层的耐磨性与其硬度值、显微 组织结构有紧密的联系,在相同条件下,一定范围内 堆焊层的表面硬度H R C 越高,则耐磨性越好[ 8 1 。 表2 堆焊层磨损量 T a b l e2W e a re x t e n to fd e p o s i t e dl a y e r 3结论 1 等离子弧喷焊P T A N i 5 5 合金粉末,所形成 的堆焊层组织致密,孔隙率小; 2 等离子弧堆焊层硬度及耐磨性较母材有显 著提高,堆焊层耐磨性与硬度具有对应关系,硬度 高,堆焊层耐磨性能好。 参考文献 [ 1 ] 尹道亮.稠油热采装置密封面的等离子弧堆焊[ J ] .焊 接,1 9 9 4 1 0 1 1 1 4 . 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