HVOF超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層的研究

趙金航

（中航飛機起落架有限責任公司燎原分公司，陜西 漢中723200）

0 引言

超音速火焰噴涂（HVOF：High Velocity Oxygen Flame）是一種熱噴涂技術，它是利用氫氣、氮氣、航空煤油等做燃料，用氧氣作助燃劑，將粉末送入高溫火焰，粉末（噴涂粒子）加熱至熔化或半熔化狀態，并加速到高達300～500 m/s或更高的速度，從而獲得結合強度高、致密的高質量的涂層。超音速火焰噴涂層不僅結合強度高，且致密，耐磨性能優越，其耐磨損性能大幅超過了電鍍硬鉻層。

超音速火焰噴涂在80年代初由美國BROWNING Engineering公司首先推出，近些年來，美國METCO公司以及SULZER集團公司，UTP公司與WHITCO等公司，相繼研究出DIAMOND JET、CDS、TOPGUN和J—GUN等新型高速火焰噴涂設備，使熱噴涂技術步入新境界。目前，基于超音速火焰噴涂特有的長處，使其成為熱噴涂高技術的一種標志，它以雄勁的優勢跨入商業市場，各行各業爭相采用。經過近40年的發展，波音公司和道蒂公司已將HVOF噴涂工藝成熟運用于飛機起落架零件上。而國內，HVOF噴涂工藝為提高飛機起落架某些關鍵零件的壽命，已在起落架零件上得以應用。

本文所研究的涂層是使用SM5847（WC10Co4Cr）粉末，采用超音速火焰噴涂方法在300M鋼上所制得的涂層。該涂層可用于耐磨、耐蝕和耐熱，也可替代電鍍鉻進行工件尺寸修復[1]。

1 超音速火焰噴涂（HVOF）工作原理

HVOF是在傳統的火焰噴涂基礎上發展起來的高速噴涂技術。它的基本原理如圖1所示，利用可燃氣體或液體與氧氣混合，在燃燒室點燃，劇烈膨脹的氣體受水冷噴嘴的約束形成超音速高溫火焰流，受到加熱與加速噴出，在基體表面形成覆蓋層。

圖1 3種噴槍的工作原理

2 實驗部分

2.1 設備

2.1.1 送粉器設備

采用瑞士UniCoat+WokaStar組成超音速火焰噴涂系統，并通過控制柜實現噴涂過程的自動化操作和實時檢測，對系統的故障立即做出響應；采用氮氣為送粉氣，粉末隨著底部送粉螺桿轉動到達粉末出口，連同送粉氣一同進入噴槍內。送粉器設備如圖2所示。

圖2 火焰噴涂設備用送粉器

2.1.2 火焰噴涂的主體設備

火焰噴涂的主體設備由抽風系統、冷卻系統、機床和機械臂等部分組成，用于試件和零件的火焰噴涂層加工，見圖3。

圖3 火焰噴涂主體設備

2.1.3 火焰噴涂的噴槍

采用WokaStar600噴槍實現噴涂（見圖4），使用航空煤油作為燃料，氧氣為助燃氣體，通過槍管作用產生超音速焰流。通過紅外線測溫儀檢測噴涂過程中工件的表面溫度，預防過燒。

圖4 火焰噴涂設備用噴槍

2.1.4 火焰噴涂前處理吹砂設備

為了火焰噴涂前零件表面粗化，提高噴涂層與基體的結合力和結合強度，采用圖5所示的噴涂用吹砂設備。

圖5 火焰噴涂用吹砂設備

2.1.5 結合強度檢測設備

結合強度檢測設備，采用長春科新試驗儀器有限公司拉伸試驗機KeXin WDW-500。

2.1.6 結合力檢測設備

試件結合力檢測采用彎折試驗器，如圖6所示。

圖6 結合力檢測設備

2.2 材料

2.2.1 噴涂材料

SM5847（WC10Co4Cr），屬于團聚燒結粉末，符合規范AMS 7882，粉末形貌見圖7?；瘜W成分見表1。

圖 7SM5847（WC10Co4Cr）粉末形圖貌

表1 SM5847粉的化學成分

2.2.2 試樣材料

（1）金相、彎曲結合力試樣

彎曲結合力試樣材料為300M鋼，規格76 mm×25 mm×1.3 mm，數量3件；涂層厚度25 μm～76 μm；金相試樣在結合力試樣上取樣，3件上各取一件，編號為J1、J2和J3。試件規格見圖8。

圖8 彎曲、金相試件

（2）結合強度試樣

結合強度試樣規格為Φ25 mm×50 mm，數量為2 個，螺紋為 M10，涂層厚度 200 μm ～ 250 μm。結合強度試驗分為3組，每組2件試樣，第一組編號為1#和2#，第二組編號為3#和4#，第三組編號為5#和6#；試樣規格見圖9。

圖9 結合強度試樣

2.3 涂層性能檢測技術條件

彎曲試驗：目視檢查彎曲部位（見圖10），不應出現涂層剝落或涂層與基體分離。涂層開裂或在邊角出現少量剝落應視為合格。

圖10 彎曲試驗

金相試驗：對涂層進行金相檢測，涂層金相檢查的要求孔隙率＜1%，不允許微裂紋，碳化物分均勻布，無條帶或團聚，界面污染＜10%，夾雜＜1%，顯微硬度HV0.3＞950。

結合強度：每個試樣涂層的結合強度應大于70 MPa，結合強度膠結后的試樣見圖11。

圖11 結合強度膠結后試樣

2.4 實驗過程

工藝流程：噴前準備→清洗、測量→噴砂→檢驗→噴涂→檢測→檢驗→涂層測厚→性能檢測。

主要工序說明：

居住建筑內部空間的形象定位主要取決于房間的空間尺度，比如商品房、經濟適用房、福利房、私房、廉租房等不同屬性的空間具有不同的尺度，這些尺度都應符合人體工學的原理。在確定每種屬性的空間尺度后，應考慮比例關系，適當的運用現有空間，也可對現有空間進行改造，最終形成空間尺度的對比、統一[2]。

（1）SM5847粉末的烘干

粉末在受潮狀態下進行噴涂，不僅會影響送粉效率，而且可能會增加涂層中的未熔顆粒，影響涂層的沉積質量。因此，在進行HVOF噴涂時，必須將SM5847粉末進行烘干。烘干使用恒溫干燥箱，烘干溫度110℃，烘干時間2 h[2]。

（2）清理

使用丙酮、無水酒精等去除試件或工件待處理表面的油污。

（3）吹砂

采用 54-60# 棕剛玉砂、壓力 4.2～5.5 kgf/mm2、吹砂距離（指吹砂嘴出口與工件表面之間的距離）150～200 mm。吹砂后應使用粗糙度儀測試表面粗糙度。吹砂后的粗糙度應為Ra 3.0～3.8。吹砂處理后，噴涂涂層與吹砂之間間隔不得超過2 h[2]。

在吹砂時，建議吹砂角度采用60°。如果采用垂直噴射，有可能將砂粒嵌入基體，見圖12。

圖12 垂直吹砂，砂粒嵌入基體

（4）噴涂

操縱Fanuc ARC Mate 120IB/M-16iB機械手的示教操作盒進行編程，采用的噴涂工藝參數見表2。

表2 噴涂WC10Co4Cr涂層工藝參數

基體預熱溫度50℃～60℃，在整個噴涂過程中，需要時刻監測零件溫度，最高溫度不能超過150℃。

采用表2中試驗參數進行3組工藝試驗（結合力、金相一組1片，結合強度每組2件）。

3 實驗結果與分析

3.1 性能檢測結果

3.1.1 結合力

使用彎折試驗器檢測試件結合力，3件試樣彎曲外徑處涂層無起皮、脫落現象，檢測均合格。試件彎曲試驗檢測結果見圖13。

圖13 彎曲試驗檢測

檢測結果表明：噴涂前吹砂可以使試樣噴涂表面粗化，獲得較為優質的表面清潔度與粗糙度，增加涂層與基體材料間的接觸面，增大涂層與基體材料的結合力

3.1.2 金相

從彎曲試驗上未被破壞的部位選取試樣制成金相試樣，使用金相顯微鏡檢測試樣的金相組織，用克努普硬度機檢測涂層硬度值，試件的檢測結果如表3所示；金相組織結構見圖14、圖15。試驗結果表明涂層的硬度、氧化物、孔隙率、界面分離、未融顆粒、界面污染和碳化物分布符合涂層技術要求。

表3 金相檢測結果表

圖14 涂層金相組織圖（200x）

圖15 HVOF涂層的顯微組織（400×）

表明氧氣、煤油含量（氧氣和煤油的混合比）是HVOF超音速火焰噴涂制備涂層的關鍵工藝參數，直接影響待噴粉末的加熱熔化狀況，粉末熔化不充分將直接影響涂層金相組織。同時，該參數亦影響噴涂速率、沉積效率和涂層質量[4]；送粉速率直接影響涂層的沉積效率，而且涂層中可能含有未熔化的顆粒，進而影響涂層的金相組織。

3.1.3 結合強度

使用拉伸試驗機進行試件結合強度檢測，加載速度應為1.27 mm/min，膠接的試樣進行拉伸試驗至拉斷后強度大于70 MPa，檢測結果均合格，檢測結果見表4；檢測后的試樣見圖16。

表4300 M鋼材料結合強度統計表

圖16 結合強度檢測合格后試件

由結果可知，噴涂前吹砂使零件噴涂金屬表面粗化，獲得較為優質的表面清潔度與粗糙度，增加涂層與基體材料間的接觸面，可以進一步提高涂層與基體材料的結合強度[3]。噴涂前吹砂與結合強度的對應關系見圖17。

圖17 表面粗糙度與涂層結合強度對應關系

4 結論

（1）室驗采用超音速火焰噴涂制備的WC10Co4Cr涂層表面均勻致密，涂層與基材的界面結合緊密，結合力檢測合格，無剝落現象；

（2）采用研究的工藝參數噴涂的零件涂層硬度、氧化物、孔隙率、界面分離、未融顆粒、界面污染和碳化物分布、結合強度檢測均合格，可用于產品的加工。

（3）吹砂后基體表面的表面粗糙度對涂層與基體的結合力和結合強度影響較大。