添加劑銅在等離子噴涂WC-12Co涂層中的作用研究

趙艷艷

（渤海船舶職業學院，遼寧 葫蘆島 125105）

熱噴涂WC-Co涂層憑借良好的性能優勢在諸多行業中實現了大規?；占芭c應用[1-3]。概括來講，等離子噴涂技術具有適用廣、投入少等顯著優勢，進而受到了各界人士的高度認可與極力推崇。而等離子噴涂制備涂層的產生孔隙，會直接影響涂層組織性能，成為該類研究的關鍵問題之一[5]?，F有結果已明確證實，可通過優化工藝參數、研發新噴槍等多種方法來提高涂層性能，但通過添加粉末這種方法來改善WC涂層性能的研究在我國還處于空白狀態。對此，在本課題研究中，筆者將銅粉與WC粉末混合，通過專業且成熟的等離子噴涂技術制取涂層，在此基礎上，對涂層的組織特征和硬度變化進行全面、仔細的觀察與分析，旨在探討出銅在WC-12Co涂層發揮的成效作用。

1 實驗材料與方法

在本實驗中，筆者使用了兩種不同性質的粉末，一種是陶瓷粉末WC-Co（其中Co占比為12%），粒度尺寸介于45～75μm區間內，通過顯微鏡掃描及X射線照射獲取到的效果圖可分別詳見圖1a，1b，該粉末是比較常見的一種燒結破碎粉，以棱角狀為主，顆粒相對緊湊，Co粘結劑中含量諸多WC顆粒，就相結構組成上來看，主要分為兩部分，一是主相WC，二是金屬Co；另一種是電解銅粉Cu180，粒度尺寸介于45～75μm區間，通過顯微鏡掃描生成的圖像如圖2所示。值得一提的是，筆者嚴格按照體積比來混合這兩種粉末，其中Cu180的體積占比依次為5%、10%、15%、20%。試樣基體材料由45#鋼制備而成，體積為20mm×15mm×4mm。在保證噴涂表面無任何雜質、灰塵的情況下才能開展噴涂作業。

經多方面對比與分析之后，筆者決定在本實驗中選用等離子噴涂裝置PlasmaLE-15，嚴格按照表1設定的工藝參數來制取涂層。同時，利用MH-6儀器對截面的顯微硬度HV0.3進行檢測，通過OLYMPUSGX51型顯微鏡細致觀察涂層的結構特征，并使用Philips-XL30掃描電鏡和RigakuD/Max-ⅢA型射線衍射儀（CuKα，λ=1.78897A°，步長 0.02°，掃描速度為 8°/min，掃描空間 20°～90°，運行電壓 35kV，運行電流 30mA）對其斷口形貌和相組成結構進行客觀、正確地分析。

圖1 WC-12Co粉末的掃描電鏡照片（a）和XRD圖譜（b）

圖2 Cu180粉末的掃描照片

表1 噴涂工藝參數

2 實驗結果與討論

2.1 涂層截面的金相組織和顯微硬度

仔細觀察圖3可進一步了解到，Cu180粉添加量不同，WC-12Co涂層的結構表征變化不同。具體來講，黑色的孔狀物質是氣孔（即箭頭“A”）；淺黃色物質是銅（即箭頭“B”），而同時擁有黑、黃兩種顏色的則是銅的氧化物，也就是生活中比較常見的氧化銅和氧化亞銅。在銅含量不斷增大的情況下，涂層結構的緊湊性會隨之增強，孔隙率也會不斷走低，而且孔隙的體積會大幅縮小。由此可見，銅會使WC-12Co涂層的孔隙發生顯著變化，既能有效改善涂層的組織結構，還能將孔隙率降到最低。

在對表2的相關數據進行全面分析后進一步了解到，在銅粉量不斷增加的情況下，涂層的硬度會隨之下降。涂層結構組成相對比較簡單，只由三部分組成，一是變形顆粒，二是孔隙，三是氧化物，而涂層硬度變化是在多重因素的共同作用下形成的，而最主要的是孔隙率、硬質相分布等。但大量實踐研究證實，孔隙率對硬度造成的影響是最大的，正常來講，只要合理控制孔隙率，就能使涂層硬度顯著增強；Co的熔融水平對WC粒子牢固度產生了決定性影響，倘若不含有Co，WC粒子就會輕松被打碎，導致涂層性能下降，具體表現為硬度變小、脆性變強；一般情況下，硬質相成分越高、分布越合理、WC含量越多，相顆粒間距就越小，則涂層硬度的改善效果就越顯著。由上文分析可知，在銅粉末含量不斷增多的情況下，涂層孔隙率會隨之降低，由此便能顯著改善涂層結構，但硬質相卻大幅減少，最關鍵的一點是即便孔隙率降到了合理范圍，但因為硬質相減少仍無法使涂層硬度達到預期要求。所以在銅粉末添加量不斷增加時，涂層硬度反而會大幅降低。

圖3 添加不同含量銅的WC-12Co涂層的斷面金相

表2 涂層硬度值（HV0.3）

2.2 添加劑銅的作用機理討論

由于涂層形成涉及多環節操作，因此顯得尤為復雜[7]。受表面張力影響，被加工成為熔融態的顆粒在未抵達工件前主要呈球形，與基體或完全凝固的涂層表面相碰撞時，熔滴就會因巨大的沖擊力而發生形態改變，演變成為薄圓片，對于這一變化過程業界人士習慣性地將其命名為“攤片”，最后成為碟形或薄餅形顆粒[8]。但在噴涂熔滴的過程中，受多方面因素限制與影響，各顆粒之間或各片層之間常常會因為沒有被熔體完全填充滿而形成一些形狀不一的孔隙，在此情況下就無法保證涂層性能[9]。

通過圖4可進一步了解到，a、b反映了WC顆粒與表面相碰撞所形成的一種形貌，c、d反映了Cu顆粒與表面相碰撞后所形成的一種形貌。其中，圖4a的WC顆粒只有少部分被熔化，并且顆粒上出現了大量尺寸不一的孔隙，而4b中的顆粒則已被完全熔化，與表面相碰撞后迅速攤開并凝固成為薄圓片。圖4c、4d中Cu顆粒也被徹底熔化，在與表面相碰撞后迅速攤開并凝固成為薄圓片，在對圖4c進行深入分析后進一步了解到，攤片表面殘留大量深色物質，實際上這是銅的氧化物；在對圖4d進行深入分析后進一步了解到，攤片表現為明顯的流散狀，由于銅熔點低，液態銅具有很強的流動性，能夠被完全熔融，同時在強大動能的助推下，顆粒就會形成理想的扁平化形貌。

通過圖5可對WC-12Co和20%Cu-WC-12Co涂層的斷口SEM形貌特征有更全面且清晰地認知與了解。受外部作用力影響，涂層發生不同程度的斷裂，正如圖中所示形成了大量小孔，也就進一步說明，在外力作用下，顆粒與顆粒之間可輕松被打碎。在對圖5a進行深入分析后進一步了解到，WC-12Co涂層結構不夠緊致，孔隙率相對較高；而5b中的20%Cu-WC-12Co涂層結構密實，孔隙量小且分布合理。與碳化鎢相比，銅相的活性更大，由于它張力小、粘度小，熔化粒子的流動水平大幅提升，所以能達到理想的潤濕效果，又因為它熔點低，能夠被完全熔化，與基體表面相碰撞后，能夠在強大沖擊力的驅使下迅速變形、鋪展，還能融化大量間接觸點[10]，致使孔隙被完全填實。另外，因為基體是生活中比較常見的一種金屬材料，而碳化鎢則是耐高溫的陶瓷材料，在此情況下，添加適量銅粉能夠將碳化鎢涂層與基體的熱膨脹系數的差異降到最小，可顯著提高涂層性能。

4 結論

1）等離子噴涂Cu-WC-12Co復合涂層時，隨著添加Cu量的增多涂層組織更加致密，但顯微硬度降低。

2）銅具有熔點低、表面張力小、液態粘度小等顯著優勢特性，因此能夠在噴涂的過程中能將孔隙完全填充，從而達到合理控制孔隙率的目的。

圖4 WC（a）和 Cu（c）(d)顆料的扁平化形態

圖5 WC－12Co（a）和20%Cu－Wc-12Co(b)涂層的斷口SEM形貌