三种热喷涂工艺制备WC_Co涂层性能比较.pdf

4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年4 期 三种热喷涂工艺制备W C ／C o 涂层性能比较 鲍君峰，于月光，刘海飞，曾克里，任先京 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要分析比较了常规大气等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂的W C ／C o 涂层的形貌、显微组织、 孔隙率、硬度、结合强度及其耐磨性。结果表明，超音速火焰喷涂和爆炸喷涂层性能相当，涂层具有与粉 末相近的相结构，与大气等离子喷涂相比，涂层具有高的致密度、硬度和良好的耐磨性，涂层与基体的结 合情况也得到很大的改善。 关键词等离子喷涂；爆炸喷涂；超音速火焰喷涂；性能；耐磨性 中图分类号T B 3 3 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 4 0 0 4 6 0 4 C o m p a r i s o no fP r o p e r t i e so fW C ／C oC o a t i n gP r e p a r e db y T h r e eK i n d so fT h e r m a lS p r a y i n gP r o c e s s B A OJ u n f e n g ，Y UY u e g u a n g ，L I UH a l f e i ，Z E N GK e l i ，R E NX i a n ji n g B e i j 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 ga n dM e t a l l u r g y 。B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h em i c r o g r a p h ，m i c r o s t r u c t u r e ，p o r o s i t y ，h a r d n e s s ，b o n ds t r e n g t ha n dw e a rr e s i s t a n c eo fW C ／C o c o a t i n g sd e p o s i t e dw i t hp l a s m as p r a y i n g ，d e t o n a t i o ns p r a y i n ga n dh i g hv e l o c i t yo x y f u e l H V O F t h e r m a ls p r a y i n g ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s eo fH V O Fa n dD e t o n a t i o nW C ／C oc o a t i n gi sm u c ht h es a m ea st h eW C ／C o p o w d e r ．T h eW C ／C oc o a t i n g sd e p o s i t e dw i t hH V O Fa n dD e t o n a t i o ns p r a y i n gh a sh i g h e rd e n s i t y ，h a r d n e s sa n d w e a rr e s i s t a n c e ，a n dt h ec o m b i n i n go ft h ec o a t i n ga n ds u b s t r a t ew a sg r e a t l yi m p r o v e d ． K e y w o r d s P l a s m as p r a y i n g ；D e t o n a t i o ns p r a y i n g ；H V O F ；P r o p e r t i e s ；W e a rr e s i s t a n c e 热喷涂W C C o 涂层，基于其优越的耐磨性，已 成为广泛应用的耐磨涂层之一。直到2 0 世纪8 0 年 代中期，喷涂该涂层所用的方法主要是常规等离子 喷涂法。等离子喷涂的最大特点是，其焰流温度高 达1 30 0 0K ，可以熔化像陶瓷类的高熔点材料。然 而，常规等离子在喷涂W C C o 材料时，由于W C 颗 粒的过热，W C 相会发生较严重的脱碳现象u ．4J 。 影响W C 脱碳分解的主要因素是温度、喷涂颗粒的 高温停留时间和颗粒飞行行程中的氧化性环境⋯5 。 目前高能、高速已成为热喷涂技术发展的方向，相继 出现了爆炸喷涂 D e t o n a t i o nS p r a y i n g 、超音速火焰 喷涂 H V O F 等技术，这些方法都是通过大幅度提 高喷涂颗粒的速度来获得高质量的涂层【6J 。 本文分别采用3 种不同的喷涂工艺制备 作者简介鲍君峰 1 9 8 0 一 ，男，辽宁营口市人，硕士 W C 一1 2 C o 涂层，研究不同工艺对制备涂层过程中脱 碳氧化的倾向性，以及对涂层显微组织结构、相结 构、涂层性能等的影响进行探讨。 1 涂层的制备 1 ．1 试验材料与预处理 试验用粒度范围为一0 ．0 4 4m m ～ 0 ．0 3 8 m m 、呈球状的W C 一1 2 C o 喷雾干燥粉末，基体材料为 4 5 钢。金相和性能检测试样尺寸为2 5m m 1 6 m m 6m m ，胶结拉伸测结合强度试样尺寸为 e 9 2 5 ．4m m 6 0m m 。喷涂前对试样待喷涂表面的 油污用8 0 汽油清洗，待其自然挥发干后再用丙酮 清洗试样表面，然后用0 ．8 3 3m m 的棕刚玉砂对基 体表面进行吹砂粗化处理。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年4 期 4 7 1 ．2 试验方法 采用当前在国内外应用较广泛的M e t c o ．9 M 普 通等离子喷涂设备 采用G P 喷嘴，氩气为送粉气 、 D n e p r 一1 1 1 型爆炸喷涂设备 送粉气空气 与J P 一5 0 0 0 型超音速火焰喷涂设备 喷嘴长度1 5 2 ．4m m ，氮气 为送粉气 制备W C 一1 2 C o 涂层试样。三种工艺制备 涂层的工艺参数如下 等离子喷涂工艺参数喷涂距离1 2 0m m 、电压 7 1V 、电流5 5 5A 、氩气压力0 ．5 4M P a 、氩气流量 3 ．1 1i n 3 ／h 、氢气压力0 ．3 8M P a 、氢气流量0 ．2 8 m 3 ／h 、送粉气压0 ．5 4M P a 、送粉气流量0 ．5 11 T 1 3 ／h 、 送粉量5 0g ／m i n 。 爆炸喷涂工艺参数喷涂距离1 8 0m m 、乙炔压 力0 ．1M P a 、乙炔流量1m 3 ／h 、氧气压力0 ．4M P a 、 氧气流量1 ．2 5m 3 ／h 、空气压力0 ．2M P a 、空气流量 0 ．8m 3 ／h 、爆炸频率4 次／S 、线速度2 ．4m ／m i n 、送 粉量2 5g ／m i n 。 超音速火焰喷涂工艺参数喷涂距离3 8 0m m 、 氧气压力1 ．4M P a 、氧气流量1 0 8m 3 ／h 、煤油压力 1 ．2M P a 、煤油流量2 2 ．5L ／h 、氮气压力0 ．6M P a 、 氮气流量0 ．6 4m 3 ／h 、送粉量7 6g ／r a i n 。 2 试验结果与讨论 2 ．1 粉末S E M 形貌 图1 为粉末的S E M 形貌图，可以看到，采用喷 雾干燥法制备的粉末呈球状，表面粗糙多孔。X R D 2 13 04 4 } 5 06 0 7 0 8 09 01 0 0I l 1 ‘ 2 0 ／ 。 分析表明，W C 一1 2 C o 粉末只含有W C 和C o 二种相。 图1 粉末的S E M 形貌 F i g ．1 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fp o w d e r 2 ．2 涂层的x ．衍射相结构分析 图2 为三种涂层X R D 衍射图谱，从中可以看到 3 种工艺制备的W C ．1 2 C o 涂层的衍射谱中都不同 程度的出现了w 2 C 相及C o 。w ，C T ] 相，J P 一5 0 0 0 喷 涂层与D n e p r H I 喷涂层的x 一衍射结果与原始粉末 接近，只有少量的W 2 C 和含钴亚稳定碳化物，这说 明用超音速火焰喷涂过程中，材料各成分损失减少， W C 几乎不发生脱碳现象，证明射流速度的提高对 抑制W C 的分解和氧化的效果明显；而M e t c o ．9 M 喷涂层含有较多的W 2 C 和一些含钴的亚稳态碳化 物杂峰，说明在普通等离子喷涂过程中，W C 颗粒脱 碳较为严重。这一结论与许多研究者的结果是相吻 合的[ 3 ，7 8 1 。 2 0 ／ 。 2 0 1 。 ● 图2 三种涂层的X R D 衍射图谱 F i g ．2 X R Dp a t t e r n so fc o a t i n g s 2 ．3 三种涂层的S E M 组织形貌与孔隙率分析 图3 显示了三种涂层的断面S E M 形貌。可看 出经J P 一5 0 0 0 制备的涂层无明显的分层、裂纹和较 大的空洞等缺陷存在，涂层与基体结合良好，界面没 有明显的缺陷；D n e p r ．1 1 1 喷涂层与J P 一5 0 0 0 喷涂层 形貌相似；而M e t c o ．9 M 喷涂层显示出组织结构十 分疏松，有明显裂纹和较严重孑L 隙，涂层与基体界面 也存在较多的缺陷，相对J P ．5 0 0 0 和D n e p r ．Ⅲ喷涂 层而言，涂层质量明显较差。用灰度法处理测得三 个涂层的孑L 隙率，J P ．5 0 0 0 涂层的孔隙率最低，平均 0 ．9 8 ％；D n e p r l l I 喷涂层孔隙率与J P 一5 0 0 0 喷涂层 接近，平均1 ．1 2 ％；而M e t c o ．9 M 喷涂层的孔隙率 Ⅱ M M M X X 0 搬 鲥 眦 洲似 僦 跚 0 c j o U 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年4 期 最高，平均1 2 ％，是J P 一5 0 0 0 和D n e p r 。m 喷涂层的 控制涂层孔隙率的重要因素之一。 1 0 倍以上。这个结果说明喷涂颗粒的飞行速度是 图3 三种涂层断面S E M 形貌 F i g ．3S E Mm o r p h o l o g yo ft h ec r o s s - s e c t i o no fc o a t i n g s 2 ．4 三种涂层的显微硬度和结合强度 热喷涂工艺方法对涂层显微组织结构有很大的 影响，必然会带来涂层硬度和结合强度的不同。图 4 的测试结果证实了这一点。可以看到，J P 一5 0 0 0 喷 涂层和D n e p r - Ⅲ喷涂层相关测试数据基本接近，但 都明显优于普通等离子喷涂，涂层硬度和结合强度 提高的主要原因是涂层质量得到显著提高。 图4三种涂层的结合强度和显微硬度 F i g ．4B o n d i n gs t r e n g t ha n dm i c r o h a r d n e s so fc o a t i n g s 2 ．5 三种涂层的耐磨性 图5 显示了上述三种涂层分别在3 0 。 和9 0 。 。凸 甚 毫 恤| { 水 西 量 磨粒量惶 二种攻角下的抗冲蚀曲线，由图5 可知，D n e p r 1 1 1 喷 涂层冲蚀失重略低于J P 一5 0 0 0 喷涂层，但都明显低 】O o 8 1 0 皇6 0 0 童 裂a 0 0 甚 是2 0 0 00 2 55 07 5l J 01 2 5 1 5 01 7 52 【 2 2 5 磨粒量幢 图5 三种涂层的耐磨性能比较 F i g ．5 W e a rp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fc o a t i n g s 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年4 期 4 9 于M e t c o ．9 M 喷涂层，这说明D n e p r m 喷涂层和J P 一 5 0 0 0 喷涂层的耐冲蚀性能相当且都明显优于 M e t c o ．9 M 喷涂层。这一结果证实了在喷涂W C ／ C o 涂层材料时，超音速火焰和爆炸热喷涂工艺方法 远远优于等离子热喷涂方法。而三种工艺制备的涂 层在9 0 。 攻角下的冲蚀失重又明显高于攻角3 0 。 的失重量，说明W C C o 涂层为典型的脆性材料， 因为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。 3结论 1 M e t c o ．9 M 喷涂W C ／C O 涂层过程中，W C 粉末在高温等离子射流中易发生氧化、脱碳和烧损， 致使涂层性能较差； 2 J P 一5 0 0 0 依赖于高的喷涂颗粒飞行速度和 相对较低的火焰流温度，在喷涂W C ／C O 涂层时，可 以有效的抑制W C 在喷涂过程中的分解，获得的涂 层致密、结合强度高、硬度高、耐磨性能良好； 3 D n e p r 一Ⅲ喷涂层与J P 一5 0 0 0 喷涂层性能相 当，采用这二种工艺制备W C ／C O 涂层，综合性能明 显优于M e t c o ．9 M 。 参考文献 [ 1 ] F i n c k eJR ，S w a n kWD ，H a g g a r dDC ．C o m p a r i s o no f t h eC h a r a c t e r i s t i c so fH V O Fa n dP l a s m aT h e r m a lS p r a y [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so ft h e7 t hN a t i o n a lT h e r m a lS p r a y C o n f e r e n c e [ C ] ．2 0 ～2 4J u n e1 9 9 4 ，B o s t o n ，M a s s a c h u s e t t s ． [ 2 ] K r a a kT ，H e r i a a rW ，S c h w e t z k eR ，e t a l ．I n f l u e n c eo fD i f f e r e n tG a s e s ‘o nt h eM e c h a n i c a la n dP h y s i c a lP r o p e r t i e so n H V O FS p r a y e dT u n g s t e nC a r b i d eC o b a l t [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so ft h ei n t e r n a t i o n a lT h e r m a ls p r a yC o n f e r e n c e E x p o s i t i o n [ C ] ．O r i a n d o ，F l o r i d a ．U S A ．1 9 9 2 1 5 3 1 5 8 ． [ 3 ] W a n gY ，K e t t u n e nP ．T h eo p t i m i z a t i o no fS p r a y i n gP a r a m e t e r sf o rW C C oC o a t i n g sb yP l a s m aa n dD e t o n a t i o n S p r a y i n g [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so ft h ei n t e m a t i o n a lT h e r m a l S p r a yC o n f e r e n c e E x p o s i t i o n [ C ] ．O r i a n d o ，F l o r i d a ， U S A ．1 9 9 2 5 7 5 5 8 0 ． [ 4 ] J a r o s i n s k lW J ，G r u n i n g e rMF ．L o n d r yCH ．C h a r a c t e r i z a t i o n o fT u n g s t e nC a r b i d eC o b a l tP o w d e r sa n dH V o F C o a t i n g s [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so ft h e1 9 9 3N a t i o n a lT h e r r e a lS p r a yC o n f e r e n c e [ C ] ．A n a h e i m ，C A ，7 ～1 1J u n e 1 9 9 3 1 5 3 1 5 7 ． [ 5 ] 陈华辉．等离于喷涂W C - 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