超音速火焰喷涂WC－17Co涂层微观结构与性能研究

崔永静，王长亮，汤智慧，张晓云

（北京航空材料研究院，北京100095）

超音速火焰喷涂WC－17Co涂层微观结构与性能研究

崔永静，王长亮，汤智慧，张晓云

（北京航空材料研究院，北京100095）

采用超音速火焰喷涂技术喷涂了两种不同WC颗粒尺寸的WC－17Co粉末。对制备的两种涂层的硬度、孔隙率、断裂韧性、结合强度和电化学腐蚀行为进行了测试。结果表明：具有亚微米结构WC颗粒的粉末制备的涂层，在硬度、孔隙率、断裂韧性方面具有一定优势，而含有大颗粒WC相的粉末制备的涂层在结合强度、腐蚀行为方面优势明显，这说明WC颗粒尺寸对涂层性能有显著影响。

超音速火焰喷涂；WC；WC－Co涂层

超音速火焰喷涂（HVOF）工艺是20世纪80年代初期，由美国Browning Engineering公司推出的一种新型热喷涂技术。HVOF的焰流温度可达2700°C，焰流速度可达2000m／s。相对于等离子喷涂工艺来说，HVOF较低的焰流温度和较高的焰流速度可以减少在喷涂过程中WC粉末颗粒的脱碳、氧化等反应。因而，HVOF工艺制备的WC－Co涂层具有高硬度，低孔隙率，与基体结合强度高（＞70MPa）等优点；与电镀硬铬涂层相比，耐磨性更好，对环境更加友好，对基体疲劳性能影响低。因此，在国内外尤其是航空领域得到了深入的研究和广泛的应用，已成为制备 WC－Co系列耐磨涂层的首选工艺［1，2］。

喷涂粉末的形态、喷涂设备和喷涂参数对涂层性能都有极大影响。有研究表明［3，4］，纳米和亚微米结构WC－Co涂层具有更高硬度和韧性，但是纳米结构涂层存在致命的脱碳问题，产生的脆性W2C相将对涂层在定载荷下的耐磨性能造成损害，相关研究一直是领域内的热点。

本工作针对两种不同形态的 WC－17Co粉末，采用相同工艺参数制备HVOF涂层，通过对两种涂层性能的对比，研究了不同粉末形态对涂层性能的影响，为进一步优化喷涂参数和喷涂粉末提供理论依据。

1 实验

1.1 喷涂粉末及喷涂工艺参数

本实验喷涂粉末选用不同公司生产的两种团聚烧结 WC－17%Co粉末，粉末粒径分布相同，均为10～45μm。实验中两种粉末分别简称为粉末G和粉末H，两种粉末制备的涂层分别简称为涂层G和涂层H。

钛合金试片，尺寸为100mm×25mm×1mm，经喷砂前处理后，采用超音速火焰喷涂技术制备涂层。燃气为丙烷，喷涂工艺参数为氧气流量19980L／h，丙烷流量4390L／h，空气流量20000L／h，送粉速度45g／min，喷涂距离275mm。

1.2 测试方法

采用Quanta 600型环境扫描电子显微镜观察粉末和涂层的显微形貌，利用EDXS能谱仪分析涂层的化学成分，用X射线衍射技术分析粉末和涂层的相组成。

采用Struers Duramin型显微硬度计测试涂层的显微硬度，载荷为2.94N，加载时间15s，每个试样测10个点，结果取10次的平均值。断裂韧度测试时载荷为19.614N，每个试样保证3个有效点。参照ASTMC 633—79标准的方法进行涂层结合强度的测试，用E－7胶将有涂层的试样与对偶件喷砂后粘接，经120℃固化4h后，拉伸法在JDL－50KN型万能电子拉力机上测量涂层的结合强度，每种涂层由3个试样组成。涂层孔隙率测试采用金相处理软件，连续选取10张涂层截面图谱分析求取平均值作为孔隙率值。

电化学实验采用钢试样，尺寸为50mm×15mm×1mm。通过测量涂层在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为来表征涂层的耐蚀性。电化学实验采用三电极系统，参考电极选用饱和甘汞电极，辅助电极选用碳棒，非测试区用3M胶带密封，测试区面积为1cm2，扫描速度为1mV／s，利用动电位极化曲线的Tafel区确定腐蚀电位和腐蚀电流密度。

2 结果与讨论

2.1 喷涂粉末的形貌

图1为两种粉末的扫描电子显微（SEM）照片，图1（a），（c）为两种粉末的二次电子图谱，图1（b），（d）为相应的背散射电子图像。对比两种粉末的二次电子图像，呈现典型的团聚烧结形貌，可以发现G粉末的球形度更好，两种粉末的粒径基本相同。背散射图谱显示粉末的元素衬度，观察发现H粉末内部较为松散，且H粉末中大颗粒WC明显较多，而G粉末WC颗粒较为细小，WC硬质颗粒为亚微米至纳米级。

图1 两种粉末的SEM 照片 （a），（b）G粉末；（c），（d）H 粉末Fig.1 SEM images of the two powders （a），（b）G powder；（c），（d）H powder

2.2 涂层的截面形貌与相组成

图2为两种粉末及其涂层的XRD图谱，可见两种涂层中均存在WC相，且与粉末中WC相晶体结构保持一致。对比涂层和粉末的XRD图谱，可以发现涂层中出现 W2C峰，这是由于在喷涂过程中 WC不可避免出现脱碳反应造成。H涂层的W2C峰强较低，表明H涂层脱碳程度比G涂层要低。同时可以发现相对于粉末中尖锐的Co峰，涂层中的Co峰呈现漫散状态，表明Co相在喷涂过程中存在非晶化转变，细致观察可以发现在涂层45°附近区域存在漫散峰，分析认为可能是W－C－Co三元素形成的固溶体相。

涂层的SEM图谱如图3所示，可以看到超音速火焰喷涂两种涂层组织均匀、细密，与基体界面无明显孔隙、夹杂物等，界面结合良好。图中椭圆框内为孔隙，白色亮点为WC颗粒，其间浅灰色相为富Co相。可以清楚地看到G涂层内部WC细小，分布较为均匀，涂层呈现典型的层状结构，在层间分布有较多孔隙。H涂层明显打破了这种层状结构，内部存在较多大颗粒WC，这可能是在喷涂过程中熔点较低的Co相发生熔化，喷涂过程中相互碰撞形成堆积层，而具有较大动能的未熔WC颗粒打断了这种堆积，嵌入到层之间从而形成了H涂层的结构。

图2 两种粉末及其涂层的XRD图谱Fig.2 XRD images of the two powders and their coatings

2.3 涂层性能对比

2.3.1 硬度与孔隙率

从图3可以看出两种涂层都非常致密，金相分析法测量两种涂层的孔隙率分别为0.37%和0.75%，均小于1%。两种涂层的硬度值如图4所示，G涂层硬度为HV1198比H涂层HV1031高约15%。

图3 两种涂层的截面SEM 照片 （a），（b）G涂层；（c），（d）H 涂层Fig.3 Cross sectional images of the two coatings （a），（b）G coating；（c），（d）H coating

图4 两种涂层显微硬度和孔隙率对比Fig.4 Porosity and micro－hardness comparisons of the two coatings

采用压痕法表征涂层的断裂韧性，采用金刚石维氏压头，载荷为19.614N，测得3个压痕裂纹平均值计算断裂韧度。压痕形貌见图5所示，可以看到裂纹沿与涂层界面平行方向发展，在WC硬质颗粒处终止。裂纹参数见表1。0.6＜c／a＜4.5，符合Evans ＆Wilshaw［5］公式的使用条件，公式如下：

其中KIC为断裂韧度，P为载荷，a为压痕半对角线长，c为压痕中心到裂纹尖端长。

H涂层的断裂韧度为3.33MPa·m0.5，小于G涂层4.85MPa·m0.5，显然G涂层中均匀分布的亚微米至纳米级的WC颗粒起到了韧化的效果。观察裂纹扩展路径，可以发现H涂层裂纹沿涂层中的富Co相区发展，这可能是Co相在喷涂过程中发生非晶化转变，出现脆化降低涂层韧度导致的；对于G涂层，除去压痕尖端裂纹外，还发现另外两条裂纹（如图5中箭头所示），在大载荷作用下，裂纹明显沿层状结构发展，表明涂层层间结合较弱，这对涂层使用非常不利。通过后处理能否消除H涂层的非晶化转变以及如何改善G涂层的层间结合力将会是下一步的工作重点。

图5 两种涂层压痕形貌SEM图谱 （a）G涂层；（b）H涂层Fig.5 SEM images showing indentation crack of the two coatings（a）G coating；（b）H coating

表1 19.614N载荷下涂层的断裂参数Table 1 Fracture toughness parameters of the coatings under load of 19.614N

2.3.2 结合强度

参考ASTMC633标准，测得的两种涂层的结合强度如表2所列，测试可以发现H涂层结合强度达到84.8MPa，显著大于G涂层，且各试样均为胶界面断裂。G涂层结合强度波动较大，结合前面分析认为G涂层层间结合力较低影响涂层的整体结合强度。涂层结合力的大小与颗粒的熔化状态有关，局部半熔化状态的颗粒显示较高结合力，同时局部融化状态的颗粒在高速焰流的作用下对基体产生喷丸效应，导致压应力的产生，亦有利于结合力的增加。对于G粉末WC颗粒较小，粉末融化状态较高，且喷丸效应较小，形成G涂层层状结构，层间分布的孔隙导致结合力较为脆弱，易发生断裂，因此结合强度较低。

表2 涂层的结合强度Table 2 Adhesive strength of the coatings

2.3.3 腐蚀行为

动电位扫描极化曲线如图6所示，采用Tafel外推法确定腐蚀电位Ec和腐蚀电流密度Ic，结果见表3所示。可见三者腐蚀电位的排序为G涂层＞基体＞H涂层，表明H涂层倾向于优先于基体发生腐蚀，而对于G涂层则倾向于基体优先发生腐蚀。G涂层的腐蚀电流密度要大于H涂层，由于两涂层孔隙率较低且均不存在裂纹或通孔，因此可以认为极化曲线反映涂层的本征腐蚀抗力。G涂层孔隙率虽然较低，但与H涂层不同，它孔隙大多出现在层间，孔隙较容易集中形成微裂纹，有研究表明［6，7］微裂纹的存在对腐蚀性能有较大影响。

图6 两种涂层的极化曲线Fig.6 Polarization curves of the two coatings

表3 外推法测得的腐蚀参数Table 3 Corrosion parameters estimated from the polarization curves

3 结论

（1）HVOF喷涂具有亚微米结构WC颗粒的G粉末，获得的涂层呈典型的层状结构，涂层硬度更高，孔隙率更低，同时涂层断裂韧度较大，但是层间结合力低，脱碳趋势较大。

（2）对于 WC颗粒粒径较大的H粉末，在喷涂过程中喷丸效应显著，涂层层状结构减弱，涂层结合强度提高，表面残余压应力较大，耐蚀性能更好。

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Microstructure and Performance of WC－17Co Coatings Fabricated by High Velocity Oxy－fuel Spraying

CUI Yong－jing，WANG Chang－liang，TANG Zhi－hui，ZHANG Xiao－yun
（Beijing Institute of Aeronautical Material，Beijing 100095，China）

Different structural WC－17Co coatings were deposited by high velocity oxy－fuel（HVOF）spraying.The properties of the two coatings were tested，and the effect of WC size on the performance of the coatings was investigated.The results indicated that G coating，which had submicron WC particle，showed more advantages in hardness，porosity，and fracture toughness，while H coating with bigger WC particle had excellent performance in adhesive strength and corrosion resistance.Obviously，the WC particle size showed great influence to the coating properties.

HVOF；WC；WC－Co coating

TG174.442

A

1001－4381（2011）11－0085－04

2010－12－09；

2011－07－05

崔永静（1984－），男，硕士研究生，从事热喷涂技术方面的研究工作，联系地址：北京航空材料研究院表面腐蚀与防护研究室（100095），E－mail：cuiyongjing＠126.com