超音速火焰噴涂工藝

王小兵，楊定磊

中車成都機車車輛有限公司，四川 成都 610511

1 超音速火焰噴涂工藝概述

超音速火焰噴涂是利用高壓氧氣與丙烷、丙烯等碳氫系燃氣或航空煤油、酒精等液體燃料在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒產生高溫高壓焰流，其溫度可達3200℃，速度高達1500m/s以上[1]。將粉末沿軸向或徑向送進火焰中，產生熔化或半熔化的粒子，其高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層[2]。由于其優異的耐磨損性，超音速火焰噴涂沉積的WC基涂層已經廣泛用于機械部件受到嚴重磨損的許多工業領域[3-4]。文章采用超音速火焰（HVOF）噴涂技術在0Cr18Ni9（ASTM 304）奧氏體不銹鋼基材上制備納米WC-10Co4Cr涂層，利用回歸正交設計法對其噴涂工藝進行優化設計。通過光學顯微鏡分析WC-10Co4Cr涂層的微觀組織結構，并對涂層進行孔隙率、顯微硬度、厚度的測定，從而確定噴涂的最佳工藝和對涂層的組織性能進行分析。

2 實驗材料及實驗方法

2.1 實驗材料

實驗選用的基材為0Cr18Ni9（ASTM 304）奧氏體不銹鋼，其化學成分和力學性能如表1、表2[5]所示，各種實驗所用的試樣規格尺寸如表3所示。

表1 304奧氏體不銹鋼的化學成分含量 單位：wt%

表2 304奧氏體不銹鋼的力學性能

表3 各種實驗所對應的試樣規格尺寸

實驗所用的噴涂粉末為納米WC-10Co4Cr粉末，粉末的純度、粒度、流動性和松裝密度等性能如表4所示，粉末的形貌如圖1所示。

表4 試驗用粉末的粒度、流動性和松裝密度

圖1 試驗納米WC-10Co4Cr粉末的形貌

2.2 實驗方法

實驗WC-10Co4Cr涂層噴涂工藝采用16組不同噴涂工藝進行試件對比，噴涂工藝優選實驗方案如表5所示。

表5 納米WC-10Co4Cr噴涂工藝優選因素-水平表

3 實驗結果

3.1 涂層金相組織分析

通過對16組試樣的金相組織進行分析表明，涂層與基體之間無氣孔、裂紋等缺陷，結合性良好。其中第15組試樣涂層的平均厚度最厚，為148μm，其金相圖如圖2所示。

圖2 試樣15的金相組織圖像

3.2 涂層顯微硬度分析

根據顯微硬度實驗，其加載荷載為300g，加載時間為10s，得到每個試樣涂層的維氏硬度平均值如表6所示。

由表6可以看出，超音速火焰噴涂納米WC-10Co4Cr涂層得到的平均硬度值都較大，其中試樣3的涂層平均硬度值最大，為1245.65HV，試樣16的涂層平均硬度值最小，為791.73HV。

表6 試樣涂層的維氏硬度平均值 單位：HV

3.3 涂層孔隙率分析

根據涂層孔隙率測定實驗，采用MATLAB將在MR2000型光學顯微鏡下的500倍放大倍數下的涂層的微觀組織圖片進行二值化處理，來測定涂層的孔隙率，得到每個試樣涂層的孔隙率平均值如表7所示。

由表7可以看出，超音速火焰噴涂納米WC-10Co4Cr涂層得到的孔隙率都較小，其中試樣1的涂層平均孔隙率最小，為0.81%，試樣15的涂層平均孔隙率最大，為7.67%。

表7 涂層孔隙率平均值 單位：%

4 結論

（1）超音速火焰噴涂納米WC-10Co4Cr所得到的涂層與基體間無氣孔、裂紋等缺陷，結合良好、孔隙率低、涂層致密。

（2）超音速火焰噴涂納米WC-10Co4Cr所得到的涂層平均厚度較厚，最厚為148um；涂層平均顯微硬度值較大，最大為1245.65HV。