碳化鎢噴涂顆粒尺寸涂層組織與性能的影響

碳化鎢噴涂于原始粉末中WC的尺寸，而涂層中碳化鎢顆粒大小直接影響噴涂涂層的性能。采用納米粉末制備的納米碳化鎢涂層比傳統(tǒng)微米粉末制備的微米碳化鎢涂層具有更高的硬度和韌性，耐磨性能更加優(yōu)良。新的研究表明，采用微納米復(fù)合粉末制備的碳化鎢涂層性能更優(yōu)于納米粉末制備的碳化鎢的性能。但目前相關(guān)報道較少。因此，文中系統(tǒng)研究了超音速火焰噴涂納米、微納米復(fù)合及微米碳化鎢涂層的組織結(jié)構(gòu)及性能，探討原始粉末WC顆粒尺寸對涂層組織與性能的影響。
1 試驗
1.1碳化鎢 涂層制備
噴涂粉末采用具有納米、納米微米混合及微米尺寸WC顆粒的3種WC-CoCr粉末，即FN-WC、PN-WC和M-WC。FN-WC粉末中納米WC顆粒通過團聚，形成微米級或亞微米的顆粒，并通過粘接劑形成粉末顆粒，如圖 1(a)(b)所示，顆粒的平均粒度為18.85-37.56 μm，松裝密度為5.48 g/cm3。PN-WC粉末形貌 如圖 1(c)(d)所示，粉末截面組織中可觀察到部分游離態(tài)的納米顆粒以及大部分亞微米或微米級顆粒，粉末平均粒度為23.33-44.79 μm，松裝密度為5.6 g/cm3。 M-WC粉末形貌如圖 1(e)(f)所示，粉末端面組織中的WC顆粒粒徑為0.5-3 μm，粉末粒度為21-50 μm，松裝密度為5.0 g/cm3。

XRD衍射對比(圖 2)及分析結(jié)果(表 1)可看出FN-WC粉末中WC顆粒尺寸稍小、PN-WC中WC顆粒尺寸次之，M-WC粉末中WC顆粒尺寸稍大。

表 1 WC主峰半高寬
Powder FWHM/(°)
FN-WC 0.194
PN-WC 0.157
M-WC 0.148
基體采用0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼。噴涂前對基體表面進行清洗、噴砂處理。噴涂設(shè)備為美國SulerMecto公司生產(chǎn)的HVOF，噴涂時用丙烷為燃氣，高壓氧氣為助燃氣，氮氣為送粉氣。噴涂工藝參數(shù)如表 2所示。
表 2 噴涂參數(shù)
Parameters Values
Pressure(O2)/MPa 1.0
Flow rate(O2)/(L·min-1) 240
Pressure(C3H8)/MPa 0.6
Flow rate(C3H8)/(L·min-1) 68
Spray distance/mm 200
1.2 涂層組織及力學(xué)性能試驗
涂層微觀組織分析采用Fei Quata 400HV型掃描電鏡，并根據(jù)JB/T75059-1994統(tǒng)計涂層孔隙率；依據(jù)GB/T 8642-2002中規(guī)定的對偶件拉伸試驗方法對涂層結(jié)合強度進行測試。結(jié)合強度試驗在CSS-44300型電子試驗機上進行，加載速度不大于(1 000±100) N/s；采用HDX-1000TMC/LCD型顯微硬度計對涂層顯微硬度進行測量，載荷300 g，保載時間15 s，每個試樣測試9點，涂層顯微硬度取其平均值。
1.3 涂層沖蝕磨損試驗
試驗采用與日本ACT-JP試驗機結(jié)構(gòu)類似的顆粒沖蝕磨損試驗機進行。沖蝕試驗參數(shù)為：沖蝕距離100 mm-1，噴嘴內(nèi)徑3.6～4.0 mm，噴嘴長度為22 mm，磨料為棕剛玉，粒度為149 μm(100目)，壓縮空氣壓力分別為0.3 MPa，沖蝕角度分別為15°和90°。
2 結(jié)果與討論
2.1 涂層微觀組織
圖 3為噴涂涂層截面SEM形貌。分別對3種涂層5 000倍下的組織進行孔隙率統(tǒng)計，結(jié)果表明：FN-WC、PN-WC和M-WC涂層孔隙率分別為2.1%、2.0%和2.3%，涂層孔隙率相當。經(jīng)過放大后的組織中可以看到FN-WC涂層中的大多數(shù)WC粒子直徑小于100 nm，如圖 3(a2)所示。 此外，部分扁平粒子邊界部位可以觀察到不含納米WC粒子，如圖 3(a2)所示的部分高亮白色金屬區(qū)域，這可能是納米粒子在超音速火焰焰流中發(fā)生了部分熔化，使得該區(qū)域細小的納米WC粒子在高溫下發(fā)生了分解所致。 PN-WC涂層中，大多數(shù)WC粒子的粒徑大于500 nm，甚至達到了2 μm左右，但同時也可見涂層中存在部分納米級粒子，如圖 3(b2)所示。M-WC涂層中，WC顆粒為微米級，噴涂過程中大的WC顆粒發(fā)生破碎，該破碎形貌保留至涂層中，破碎后的小的碳化鎢顆粒間的金屬粘結(jié)相不足，如圖 3(c2)所示。

2.2 涂層相結(jié)構(gòu)

2.3 涂層顯微硬度
涂層硬度是指材料在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或者破裂的能力，其大小很大程度上影響著涂層的耐磨性和抗沖蝕性。圖 5為3種碳化鎢涂層的顯微硬度測試結(jié)果。PN-WC和FN-WC涂層的維氏硬度分別為1 241 HV0.3和1254 HV0.3，略高于M-WC涂層的硬度1 229 HV0.3。其中PN-WC涂層的硬度分別更為集中。結(jié)合圖 3中3種涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)照片，可以看出，F(xiàn)N-WC涂層中存在WC顆粒分解后的純金屬區(qū)域，而M-WC涂層中存在許多WC破碎顆粒，上述兩種涂層中的組織不均勻?qū)е缕溆捕戎捣植挤稚?，而PN-WC涂層中微米納米WC顆粒分布均勻，因此，其硬度值分布集中。

2.4 涂層結(jié)合強度
表 3為涂層結(jié)合強度，可見PN-WC涂層結(jié)合強度平均值大于73.5 MPa，拉伸過程中主要斷裂于粘結(jié)膠內(nèi)部。M-WC涂層結(jié)合強度平均值與PN-WC涂層相當，且上述兩種涂層結(jié)合強度均略高于FN-WC涂層結(jié)合強度，這可能與FN-WC全納米涂層在超音速焰流中的氧化、WC顆粒分解等現(xiàn)象有關(guān)。FN-WC全納米涂層中3~5號試樣均斷裂于涂層中。
表 3 涂層結(jié)合強度
Coating Bonding strength/MPa Mean value/MPa Frature position
 1 2 3 4 5  
FN-WC 72.3 74.8 62.6 70.4 63.2 68.7 Coating+glue
PN-WC 70.7 75.8 72.0 76.9 72.3 73.5 Glue
M-WC 73.2 69.4 77.2 76.3 68.6 72.9 Glue
2.5 涂層沖蝕磨損性能
按照每15 s、100 g對應(yīng)目數(shù)砂粒完成沖蝕試驗，每次完成沖蝕進行稱重，沖蝕完后，以累積的沖蝕磨損損失質(zhì)量作為基礎(chǔ)，并換算成涂層磨蝕產(chǎn)生的體積損失，將磨蝕體積損失作為耐沖蝕性能評價標準。對累計體積損失進行線性擬合，擬合直線斜率的倒數(shù)定義為沖蝕磨損助力Re，在相同的試驗條件下，Re值越高說明被測涂層抗沖蝕磨損性能越好。
FN-WC涂層、PN-WC涂層和M-WC涂層在小角度下 (15°)的沖蝕磨損結(jié)果如圖 6所示?？梢钥闯觯M管采用了全納米WC粒子，但FN-WC涂層抗沖蝕磨損性能并未得到明顯提高，相反采用納米微米混合WC制備的PN-WC涂層，其抗沖蝕磨損阻力得到顯著提高。相對于M-WC涂層材料，采用納米微米混合的WC顆粒制備的PN-WC涂層，其抗沖蝕性能得到明顯提升，抗沖蝕阻力約為傳統(tǒng)涂層的1.5倍、0Cr13Ni5Mo基體的2.3倍。涂層中WC硬質(zhì)相通過CoCr合金金屬相粘結(jié)，與硬質(zhì)相相比，在水輪機真實工況即小角度沖蝕條件下，金屬相的抗磨蝕能力較差。

圖 6 15°攻角下涂層沖蝕磨損體積損失

PN-WC涂層中存在大WC顆粒及小WC顆粒硬質(zhì)相，且該兩種硬質(zhì)相均勻的分布于CoCr合金金屬相中，如圖 3(b1)(b2)所示。當砂粒小角度沖蝕涂層時，涂層中的金屬相易于被磨蝕，裸露出大的硬質(zhì)顆粒相，隨著沖蝕過程的繼續(xù)，大顆粒硬質(zhì)相周圍的CoCr合金相將被沖蝕掉，從而導(dǎo)致大顆粒脫落。但是，由于PN-WC涂層中大顆粒硬質(zhì)相周圍的金屬粘結(jié)相中分布的小顆粒硬質(zhì)相能夠抵抗砂粒的沖蝕，緩解金屬粘結(jié)相的沖蝕情況，從而延緩?fù)繉又写箢w粒硬質(zhì)相的脫落。因此，PN-WC涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗沖蝕性能。FN-WC涂層中的WC顆粒的分解是導(dǎo)致其沖蝕性能下降的主要原因。M-WC涂層中破碎后的小的碳化鎢顆粒間的金屬粘結(jié)相不足從而影響涂層的沖蝕性能。
圖 7為90°攻角下FN-WC涂層、PN-WC涂層和M-WC涂層的沖蝕磨損體積損失?？梢钥闯?，3種涂層的沖蝕體積損失變化趨勢相當，PN-WC 和FN-WC涂層的抗沖蝕磨損阻力Re分別為4.70×104 g/cm3和4.68×104 g/cm3，略微高于M-WC涂層的抗沖蝕磨損阻力，3種涂層在90°攻角下的沖蝕體積損失明顯高于基體。研究表明，金屬材料在90°攻角下比WC涂層具有更好的抗沖蝕性能。

圖 8為FN-WC、PN-WC和M-WC涂層的沖蝕磨損形貌對比。3種涂層在90°攻角下的沖蝕磨損痕跡均比15°攻角下的沖蝕磨損痕跡明顯。犁溝狀的沖蝕磨損痕跡顯得更加粗大，這證明了在90°攻角下沖蝕過程中發(fā)生的體積損失比15°攻角下的更嚴重。在15°攻角下，PN-WC涂層表面的沖蝕犁溝痕跡不如FN-WC、M-WC涂層表面的沖蝕犁溝痕跡明顯，僅能觀察到少量的犁溝。

結(jié)合3種涂層在15°攻角下的沖蝕阻力，PN-WC由于具有較優(yōu)的抗沖蝕性能，其表面的犁溝較淺、較窄。而FN-WC、M-WC涂層抗沖蝕阻力較低，因此其犁溝比較明顯。
結(jié) 論
(1) 碳化鎢噴涂采用HVOF工藝制備3種不同WC顆粒尺寸的涂層。FN-WC、PN-WC及M-WC涂層孔隙率相當，但相結(jié)構(gòu)存在差異。FN-WC涂層中碳化鎢分解嚴重，PN-WC及M-WC涂層碳化鎢顆粒少量分解。

(3) 碳化鎢顆粒尺寸是影響涂層性能的重要因素，可以通過選擇適當碳化鎢顆粒尺寸的粉末制備出性能良好的涂層。