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、微納米復合及微米碳化鎢涂層的組織結構及性能，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。噴涂設備為美國SulerMecto公司生產的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合強度進行測試。結合強度試驗在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試驗機結構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相不足，如圖 3(c2)所示。

2.2 涂層相結構

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。結合圖 3中3種涂層的顯微組織結構照片，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導致其硬度值分布分散，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 涂層結合強度
表 3為涂層結合強度，可見PN-WC涂層結合強度平均值大于73.5 MPa，拉伸過程中主要斷裂于粘結膠內部。M-WC涂層結合強度平均值與PN-WC涂層相當，且上述兩種涂層結合強度均略高于FN-WC涂層結合強度，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。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量作為基礎，并換算成涂層磨蝕產生的體積損失，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°)的沖蝕磨損結果如圖 6所示?？梢钥闯?，盡管采用了全納米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硬質相通過CoCr合金金屬相粘結，與硬質相相比，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顆粒硬質相，且該兩種硬質相均勻的分布于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，裸露出大的硬質顆粒相，隨著沖蝕過程的繼續(xù)，大顆粒硬質相周圍的CoCr合金相將被沖蝕掉，從而導致大顆粒脫落。但是，由于PN-WC涂層中大顆粒硬質相周圍的金屬粘結相中分布的小顆粒硬質相能夠抵抗砂粒的沖蝕，緩解金屬粘結相的沖蝕情況，從而延緩涂層中大顆粒硬質相的脫落。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 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，但相結構存在差異。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。