TC27鈦合金超音速火焰噴涂WC-17Co耐磨涂層工藝研究

張業勤　齊立春　黃利軍　張文強　黃驛勝

摘? 要：針對TC27鈦合金采用超音速火焰噴涂技術制備WC-17Co耐磨涂層，通過正交實驗研究了氧燃比、丙烷流量、空氣流量、送粉速率、噴涂距離對顯微硬度、結合強度、孔隙率的影響，運用極差分析法確定了最優的噴涂工藝。研究表明：送粉速率對顯微硬度的影響最大，氧燃比對結合強度的影響最大，空氣流量對孔隙率的影響最大。

關鍵詞：TC27鈦合金;超音速火焰噴涂;WC-17Co耐磨涂層;正交實驗;極差分析法

中圖分類號：TG174文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）17-0120-03

Abstract： WC-17Co wear-resistant coating was prepared for TC27 titanium alloy by HVOF spray process. The influence of oxygen/fuel ratio， propane flow rate， air flow rate， powder feeding rate and spraying distance on micro-hardness， bending strength and porosity were investigated by orthogonal experiment. The optimum spraying process was determined by range analysis. The results revealed that the powder feeding rate has the greatest influence on the micro-hardness， the oxygen/fuel ratio has the greatest influence on the bending strength， and the air flow rate has the greatest influence on the porosity.

Keywords： TC27 titanium alloy; HVOF; WC-17Co wear-resistant coating; orthogonal experiment; range analysis

1 概述

TC27鈦合金[1]是北京航空材料研究院自主研發的一種新型高強高韌高淬透性近β型鈦合金，它具有比強度高、斷裂韌度好、成形性能好和抗應力腐蝕能力強等優點，主要應用于航空航天及兵器行業重要承力部件。但當TC27鈦合金需要與其他材料（如鋼）構件相連接時，因其表面硬度低、耐磨性差限制了使用。超音速火焰噴涂技術[2-4]是國外八十年代開發出的熱噴涂技術，在國外尤其是航空領域得到了較深入的研究和廣泛的應用。該工藝環保、無氫脆、對基體疲勞性能影響較小，可在鋼[5]、鈦[6]、鋁[7]表面制備致密度高、結合強度高的金屬和金屬陶瓷涂層，尤其在噴涂WC高耐磨性能涂層方面具有極大的優勢。國內也在TC4、TC18、TC21鈦合金上開展了大量噴涂WC耐磨涂層的應用研究。為了促進TC27鈦合金得到廣泛應用，本文針對TC27鈦合金進行超音速火焰噴涂WC-17Co耐磨涂層工藝研究，達到涂層性能的同時不影響基體材料的關鍵力學性能，以保證防護涂層體系的安全、可靠。

2 實驗

2.1 實驗設備及材料

采用DJ2700型超音速噴涂（HVOF）設備制備耐磨涂層。基體材料為TC27鈦合金，噴涂材料選用Diamalloy 2005NS（WC-17Co）粉末。噴涂前先用丙酮進行超聲波清洗，再用46目的棕剛玉磨料進行表面噴砂處理，然后采用壓縮空氣除掉基體表面鑲嵌的砂粒。

2.2 實驗方法

TC27鈦合金超音速火焰噴涂WC-17Co耐磨涂層工藝實驗采用5因素4水平正交實驗進行， 實驗的因素水平表如表1所示，其中因素A為氧燃比，因素B為丙烷流量，因素C為空氣流量，因素D為送粉速率，因素E為噴涂距離。正交實驗以顯微硬度、結合強度、孔隙率作為評價耐磨涂層的考核指標。

3 結果和討論

正交實驗的結果如表2所示，通過直觀分析可知，第9組顯微硬度最高，對應的因素水平是A3B1C3D4E2;第7組結合強度最高，對應的因素水平是A2B3C4D1E2;第2組孔隙率最低，對應的因素水平是A1B2C2D2E2。

為了獲得最優的噴涂工藝，對正交實驗的結果進行極差分析，如表3所示。對于不同的耐磨涂層的考核指標，五個因素對其的影響是不同的，不同指標所對應的最優工藝也是不同的，所以需要通過對各因素對不同指標的影響程度進行綜合分析，按照影響程度的主次關系得到綜合的最優噴涂工藝。因素A氧燃比對結合強度的影響是最大的，取A4水平比較好，但A4和A2相差不大，但對孔隙率的影響排在第二，取A2水平比較好，對顯微硬度的影響相對較小，綜合考慮確定因素A選取的最優水平為A2。因素B丙烷流量對結合強度、孔隙率而言都是取B2水平比較好，對顯微硬度而言取B3水平比較好，但B2和B3水平相差不大，綜合考慮確定因素B選取的最優水平為B2。因素C空氣流量對孔隙率的影響是最大的，取C3水平比較好，但C3水平時顯微硬度最低，雖然從極差大小來看因素C對顯微硬度的影響最小，但因素A、B、C對顯微硬度的極差相差很小，因而因素C對顯微硬度的影響不能輕易忽視;因素C對結合強度的影響排在第二，取C4水平比較好，但C4水平孔隙率太大，接近1%，也不可取，綜合考慮確定因素C選取的最優水平為C2，顯微硬度最高，結合強度較高，孔隙率較低。因素D送粉速率對顯微硬度的影響最大，取D4水平比較好，但結合強度最低，孔隙率最低，再考慮到粉末沉積速度和利用率，綜合考慮確定因素D選取的最優水平為D2。因素E噴涂距離對結合強度、孔隙率而言都是取E2水平比較好，對顯微硬度而言取E3水平比較好，但E2和E3水平顯微硬度相差很小，綜合考慮確定因素E的最優水平為E2。根據以上分析，考慮到各因素對不同指標影響程度的大小以及服從多數原則，最終確定最優的噴涂工藝為A2B2C2D2E2，即氧燃比為1，丙烷流量為35 FMR，空氣流量為40FMR，送粉速率為55g/min，噴涂距離為22.5cm。

4 結束語

（1）送粉速率對顯微硬度的影響最大，氧燃比對結合強度的影響最大，空氣流量對孔隙率的影響最大。

（2）通過極差分析最終確定最優的噴涂工藝為A2B2C

2D2E2，即氧燃比為1，丙烷流量為35FMR，空氣流量為40FMR，送粉速率為55g/min，噴涂距離為22.5cm。

參考文獻：

[1]張業勤，沙愛學，黃利軍，等.一種新型高強高韌TC27鈦合金的高溫變形行為研究[J].科技導報，2014，32（24）：25-29.

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[3]蔡宏圖，江濤，周勇.熱噴涂技術的研究現狀與發展趨勢[J].裝備制造技術，2014，6：28-31.

[4]王華仁.超音速火焰噴涂技術及應用[J].東方電機，2007（4）：45-50.

[5]殷傲宇，鄧暢光，張吉阜，等.超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層對30CrMnSiA鋼防護性能的影響[J].熱噴涂技術，2011，3（3）：60-64.

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[7]PUCHI -CABRERA E S，STAIA M H，SANTANA Y Y，et al.Fatigue behavior of AA7075 -T6 aluminum alloy coated with a WC-10Co-4Cr cermet by HVOF thermal spray [J]. Surface andCoatings Technology.2013，220（15）：122-130.