WC-Co耐磨耐腐蝕涂層粉末規(guī)模化制備的研究

王學(xué)政 宋曉瑞 朱春雨 劉成龍 崔家樂

【摘? 要】為有效解決超細/納米WC-Co在熱噴涂時容易脫碳的相關(guān)問題，制備耐磨性與耐腐蝕性良好的涂層粉末，并切實廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。基于原位合成技術(shù)批量化制備的WC-Co粉末為原料，在保持既有噴涂喂料粉末的前提下，通過超音速火焰噴涂工藝（HVOF）規(guī)模化制備超細結(jié)構(gòu)WC-Co涂層。試驗結(jié)果表明，WC-Co涂層粉末的耐磨粒磨損性能與耐腐蝕性能較好。

【Abstract】In order to effectively solve the problem of decarburization of ultra-fine/nano WC-Co during thermal spraying， coating powders with good wear resistance and corrosion resistance were prepared and widely used in industrial fields. Taking the WC-Co coatings prepared by in situ synthesis technology as raw material， WC-Co coatings with ultra-fine structure were prepared by HVOF process on the premise of maintaining the existing spray feed powder. The results show that WC-Co coating powder has better wear resistance and corrosion resistance.

【關(guān)鍵詞】WC-Co粉末;耐磨;耐腐蝕;涂層;規(guī)模化

【Keywords】WC-Co powder; wear resistance; corrosion resistance; coating; large scale

【中圖分類號】TG174.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0178-02

1 涂層耐磨耐腐蝕機理分析

1.1 磨損機制

耐磨性涂層的硬度較高，但是塑性一般，所以涂層材料磨損機制通常為磨料磨損，而于高溫、高載荷、無潤滑狀態(tài)下，耐磨性涂層依舊會發(fā)生剝裂失效、塑性變形、粘著磨損等摩擦磨損現(xiàn)象。涂層磨損機制既與溫度、潤滑等要素相關(guān)，又與摩擦循環(huán)次數(shù)相關(guān)，負載愈大，潤滑效果愈差，溫度愈高，粘著磨損發(fā)生幾率愈大。

1.2 導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性能對涂層材料的耐磨性影響十分顯著，導(dǎo)熱性愈好，耐磨性愈好。通常狀況下，涂層材料磨損機制即磨粒磨損，表層接觸范圍偏小，而涂層導(dǎo)熱性相對較低，所以摩擦生成熱量擴散難度較大，導(dǎo)致局部溫度上升，形成大范圍局部熱應(yīng)力。而熱應(yīng)力的存在將會直接導(dǎo)致涂層部分斷裂剝落。

1.3 孔隙/微裂紋

在摩擦?xí)r，摩擦應(yīng)力與熱應(yīng)力極易集中于涂層內(nèi)多孔隙與微裂縫等位置。較小但分布相對均勻的孔隙可有效防止局部應(yīng)力集中，網(wǎng)狀微裂縫對于裂縫擴展有著良好的抑制作用。為切實改善優(yōu)化耐磨耐腐蝕涂層相關(guān)性能，最關(guān)鍵的就是孔隙率縮小，孔隙尺寸縮減，并盡可能均衡分布。與此同時，應(yīng)最大程度上防止較大且不規(guī)則的孔隙與縱向貫穿涂層的裂縫。

2 不同耐磨耐腐蝕涂層材料對比分析

制備耐磨涂層的陶瓷材料主要包含氧化物與碳化物，其中氧化物耐磨涂層材料即氧化鋁耐磨耐腐蝕性良好;氧化鉻的高溫耐磨性良好。氧化物耐磨涂層材料通常通過適度添加相關(guān)添加劑，以提升涂層韌性。

碳化物耐磨耐腐蝕涂層材料，碳化物熔點比較高，硬度較大，屬于超硬材料，耐磨性非常強大。但是由于碳化物的脆性過大，通常不會直接使用，需添加Co、Ni等相關(guān)金屬以此為粘結(jié)劑，從而強化韌性。與其他耐磨耐腐蝕性涂層材料對比，于500℃以內(nèi)WC-Co耐磨耐腐蝕涂層材料的綜合性能更為優(yōu)異。具體如表1所示。

3 WC-Co耐磨耐腐蝕涂層粉末規(guī)模化制備

3.1 涂層粉末制備

基于原位合成的WC-Co復(fù)合粉末、去離子水、粘結(jié)劑、分散劑混合制漿，以離心噴霧干燥法實現(xiàn)團聚造粒，并熱處理團聚后粉末，以此去除有機成分，強化復(fù)合粉末顆粒內(nèi)聚強度。通過氣流分級分選團聚粉末，以獲取粒徑分布于15～45μm的熱噴涂喂料。選擇HVOF噴涂系統(tǒng)進行涂層制備，工藝參數(shù)具體如表2所示。

3.2 HVOF噴涂工藝

基于不送粉條件，以火焰流吹掃已經(jīng)夾裝完成的基體表層，次數(shù)為1～2次，據(jù)此以火焰作用高溫消除基體表層水分，并進行基體預(yù)熱，避免噴涂時生成過大溫差，引發(fā)裂縫，直接影響涂層質(zhì)量;以高壓氮氣為輔助傳輸粉末于噴槍內(nèi)，同時適度調(diào)整噴涂工藝相關(guān)參數(shù)，直到符合實驗設(shè)計要求;根據(jù)所輸入程序與參數(shù)噴涂基體材料;符合實驗設(shè)計要求之后，停止進行送粉，以此結(jié)束噴涂。

3.3 性能測試方法

通過橡膠輪磨粒磨損裝置進行涂層粉末耐磨性測試，表層添加載荷45N、130N，磨料即棕剛玉，轉(zhuǎn)速即200r/min，磨損時間即30min，正式測試之前，預(yù)磨處理5min;通過CHI604電化學(xué)工作站測試涂層粉末耐腐蝕性能，腐蝕液即3.5%（質(zhì)量分數(shù)）NaCl溶液。

3.4 性能測試結(jié)果

3.4.1 耐磨性分析

基于130μm與200μm不同尺寸的棕剛玉磨粒與載荷條件，面向所制備超細納米WC-Co涂層與微米WC-Co涂層開展磨粒磨損測試，結(jié)果具體如表3所示。

由表3可知，不同測試條件下，超細納米硬質(zhì)合金涂層的耐磨性更高，更優(yōu)質(zhì)，這是由于超細納米涂層的組織結(jié)構(gòu)致密度、硬度、韌性較高。相比微米WC-Co涂層，基于HVOF工藝制備的超細/納米WC-Co涂層韌性顯著提升。在相關(guān)超細/納米涂層韌性研究中，Bartuli指出更加細小的碳化物，更加均勻的增強相分布，由非晶Co相內(nèi)解析的納米級硬質(zhì)顆粒，強化了裂縫生成與擴展阻力，基于均勻分布的細小硬質(zhì)相，裂縫均自由擴展路徑會有所延長，從而造成高能量消耗，以此強化超細/納米涂層韌性;陳輝指出在WC顆粒尺寸下降為納米級時，晶界會出現(xiàn)滑移變形，促使超細/納米涂層韌性明顯提升。而熱噴涂WC-Co涂層過程中，富Co粘結(jié)相以非晶態(tài)Co-W-C形態(tài)存在，而WC不完全熔化，易造成表面與內(nèi)部間的界面區(qū)域出現(xiàn)殘余應(yīng)力，以及微裂縫，這些現(xiàn)象都會導(dǎo)致涂層韌性下降。據(jù)此，超細/納米WC-Co涂層韌性的提升，既受WC尺寸效應(yīng)影響，又受層片之間結(jié)合力、涂層內(nèi)應(yīng)力、W2C脆性相含量等多重作用影響。

超細/納米WC-Co涂層中存在橢圓形凹坑，是由于Co膜與WC顆粒之間相界面斷裂引發(fā)，WC顆粒尺寸縮小，導(dǎo)致相界面積變大，可消耗大量裂縫拓展能量，以提升涂層斷裂韌性。

HVOF噴涂過程中，超細/納米WC-Co晶粒大體都屬于等軸晶，邊角圓滑，極有可能是因為噴涂粒子于焰流內(nèi)停留時間過于短暫，沉積時冷卻速度非常快，導(dǎo)致多數(shù)納米WC晶粒表層融化，并未合并長大，卻保持了初始復(fù)合粉末內(nèi)納米WC組織形態(tài)。海量納米級別硬質(zhì)相存在，在很大程度上阻礙了粘結(jié)相內(nèi)裂縫的擴展，促使超細/納米WC-Co涂層韌性顯著提升。

3.4.2 耐腐蝕性分析

超細/納米WC-Co涂層、16Mn鋼的電化學(xué)腐蝕測試結(jié)果具體如表4所示。

由表4可知，超細/納米WC-Co涂層的WC具備良好耐腐蝕性，粘結(jié)相Co也具備優(yōu)異的耐腐蝕性，所以WC-Co涂層也呈現(xiàn)出較好的耐腐蝕性。

由圖1可知，電化學(xué)腐蝕表層具有許多基于WC粒子脫落所造成的腐蝕坑，其周圍則為金屬粘結(jié)項。此腐蝕形貌的形成原因具體為，WC-Co涂層由WC相與金屬粘結(jié)相Co構(gòu)成，WC電位明顯高于金屬粘結(jié)相點位。由于二者的電位差，在腐蝕時，WC-Co涂層表層會出現(xiàn)各式各樣的腐蝕微電池，此效應(yīng)會導(dǎo)致WC相邊緣的粘結(jié)相出現(xiàn)腐蝕，由于界面位置的粘結(jié)相逐漸被腐蝕，WC相顆粒會在失去粘結(jié)相支持與固定之后，出現(xiàn)嚴重脫落，而在WC-Co涂層表面便會出現(xiàn)許多腐蝕坑。

4 結(jié)語

綜上所述，批量化制備的超細/納米WC-Co涂層粉末的物相純凈，于不同測試條件下，其耐磨性都非常高，這是由于超細納米涂層的組織結(jié)構(gòu)致密度、硬度、韌性較高;且通過HVOF工藝噴涂WC-Co粉末，涂層WC相與粘結(jié)相Co同時具備良好的耐腐蝕性，所以WC-Co涂層呈現(xiàn)出較好的耐腐蝕性。

【參考文獻】

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