熱處理對ZL101A表面WC-10Co4Cr涂層組織性能的影響

王志輝，簡忠武，孫忠剛，劉國剛

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖南 長沙 410208；2. 長沙市望城區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，湖南 長沙 410200)

0 引言

鋁及鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和軌道車輛等領(lǐng)域。但其也存在硬度低、耐磨性差等缺點(diǎn)，為了提高鋁合金表面的強(qiáng)度和耐磨性，拓展鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，則需要對其表面進(jìn)行強(qiáng)化處理[1]。王江慧等[2]采用超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF)在鋁合金基體上制備陶瓷涂層，研究表明：涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較好、物相組成差異不明顯、孔隙率較低以及顯微硬度較高；趙堅(jiān)等[3]開展了熱處理工藝對涂層組織性能的影響，研究表明：采用合適的熱處理工藝能夠有效地改善涂層的孔隙率、硬度以及耐磨性。

綜上，開展熱處理工藝對鋁合金表面HVOF噴涂WC-10Co4Cr涂層組織性能影響方面的研究，具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但目前關(guān)于熱處理工藝對HVOF在鋁合金基體表面制備涂層性能影響方面的研究還鮮有報(bào)道。因此，本文采用HVOF在ZL101A鋁合金表面制備WC-10Co4Cr涂層，研究不同熱處理溫度對涂層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料制備

試樣制備流程為：基體材料加工→制備涂層→試樣加工→熱處理→試驗(yàn)與表征。噴涂基體材料為壓鑄鋁合金ZL101A板材。噴涂材料為合金化的WC-10Co4Cr球型粉末，粉末顆粒直徑主要集中在14 μm～45 μm，噴涂厚度為0.2 mm～0.3 mm。真空熱處理采用ZK3SJ-4LA型高真空燒結(jié)爐，以5 ℃/min的升溫速率將試樣分別加熱至300 ℃、400 ℃和500 ℃并保溫1 h，然后隨爐冷卻。

1.2 表征方法

采用UltimaIVX射線衍射儀分析涂層的相組成，掃描角度為10°～90°，測試速率為4°/min。采用FEIQuanta250FEG掃描電鏡觀察涂層的微觀組織與磨損形貌，并用配套的能譜儀對涂層截面進(jìn)行能譜分析；采用HVS-1000A顯微維氏硬度計(jì)測量涂層的顯微硬度，加載載荷為500 mN，保載時間為10 s；采用ImageProPLUS圖像分析軟件對涂層的孔隙率進(jìn)行分析與計(jì)算；采用optimol-SRV-IV微動試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，對磨材料為Si3N4，法向載荷為45 N，往復(fù)幅值為200 μm，頻率為20 Hz，磨損時間為20 min，溫度為25 ℃；采用三維形貌儀和表面輪廓儀測量SRV磨損區(qū)域的三維形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理對涂層組織形貌的影響

圖1為不同熱處理溫度下涂層橫截面的SEM形貌。從圖1中可以看出，采用HVOF方法在ZL101A鋁合金基體上制備的WC-10Co4Cr涂層，在噴涂粒子高溫、高速的作用下，涂層組織致密且無明顯分層結(jié)構(gòu)，組織中灰白色相為WC相，灰黑的粘結(jié)相為富Co、富Cr的粘結(jié)相；涂層與鋁合金基體結(jié)合緊密、界面無明顯孔洞，而且可以明顯看出，涂層顆粒嵌入鋁合金基體，形成了凹凸界面線，起到拋錨作用，能夠有效地提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度[4]。當(dāng)涂層經(jīng)真空熱處理后，隨著熱處理溫度的升高，鋁合金基體與涂層界面發(fā)生較明顯的冶金化學(xué)反應(yīng)，其界面的溶解程度增大。

圖1 不同熱處理溫度下涂層截面的SEM形貌

圖2為不同熱處理溫度下WC-10Co4Cr涂層截面的EDS線掃描數(shù)據(jù)。從圖2中可以看出：涂層中含有元素W、Co、Cr、Si和Al，而在鋁合金基體中主要元素為Al和Si；在未噴涂的原始粉末中僅有W、Co、Cr元素，沒有Si、Al兩種元素，但在涂層中卻含有Si、Al兩種元素，而且Si元素的含量高于鋁合金基體中Si的含量。分析其原因可能是由于超音速火焰噴涂的溫度高達(dá)3 000 ℃左右，高于Al元素的沸點(diǎn)2 400 ℃左右，因此噴涂過程中高溫粉末顆粒與ZL101A鋁合金基體接觸，造成鋁合金基體表層中的Al元素發(fā)生熔化甚至氣化，部分熔融態(tài)的Al元素與Si元素則通過涂層中的孔隙進(jìn)入涂層內(nèi)部，以致于涂層中會有Al、Si兩種元素。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，采用HVOF方法制備涂層時，在鋁合金基體與涂層之間形成了明顯的過渡區(qū)[5]，寬度約為26.3 μm，如圖2(a)所示，這主要是由于HVOF噴涂過程中的余熱使涂層與基體界面發(fā)生明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象。溫度越高，元素的擴(kuò)散率越高，因此，隨著熱處理溫度的升高，涂層與基體界面的過渡區(qū)寬度(ΔD)呈現(xiàn)出增大的趨勢，涂層經(jīng)300 ℃、400 ℃、和500 ℃真空熱處理后，過渡區(qū)寬度分別增至42.8 μm、42.8 μm和47.1 μm。

圖2 不同熱處理溫度下涂層截面的EDS線掃描數(shù)據(jù)

圖3為不同熱處理溫度下WC-10Co4Cr涂層的XRD圖譜。從圖3中可以看出：涂層未熱處理時主要為WC相，而并未發(fā)現(xiàn)含Co或Cr的相，如圖1(a)、圖1(b)所示，這是因?yàn)镠VOF噴涂粉末顆粒在高溫作用下，部分WC溶解于熔融態(tài)的Co-Cr粘結(jié)相中，當(dāng)涂層噴涂附著在鋁合金基體后，急速冷卻并形成了富Co、富Cr的非晶相[6]；當(dāng)涂層經(jīng)不同溫度熱處理后,其相組成發(fā)生了明顯的變化，生成了CrSi2相和Co25Cr25W8C2相。在涂層中生成了CrSi2，這與前面的圖2中涂層界面EDS線掃描的數(shù)據(jù)一致，在熱處理前后的涂層中均有Si元素存在，而且隨著熱處理溫度的升高，CrSi2和Co25Cr25W8C2相對應(yīng)的XRD衍射峰相對峰值越強(qiáng)，表明其含量逐漸增加。這主要是由于溫度越高,原子熱激活能量越大,物質(zhì)的擴(kuò)散阻力下降，物質(zhì)的擴(kuò)散速率提高，因此熱處理溫度越高，原來在高溫噴涂過程中溶解于Co-Cr粘結(jié)相中的WC、Si等擴(kuò)散加快，生成的CrSi2相和Co25Cr25W8C2相也就越多。

圖3 不同熱處理溫度下涂層的XRD圖譜

圖4為不同熱處理溫度下WC-10Co4Cr涂層的孔隙率。從圖4中可以看出：未經(jīng)熱處理的涂層孔隙率為1.39%，隨著熱處理溫度的升高，涂層中的孔隙率呈現(xiàn)出先減少后急劇增加的趨勢；當(dāng)涂層經(jīng)300 ℃熱處理后的孔隙率最小，孔隙率為1.26%，其組織也最致密，這可能是由于噴涂時噴射速度高、冷卻速度太快導(dǎo)致涂層的內(nèi)應(yīng)力大，熱處理時可以消除涂層的內(nèi)應(yīng)力，涂層中的相體積增大，填充了部分孔隙，從而降低了涂層的孔隙率；當(dāng)熱處理溫度達(dá)到400 ℃時，涂層的孔隙率成倍上升，達(dá)到6.02%，這可能是由于涂層在高溫?zé)崽幚頃r發(fā)生膨脹，導(dǎo)致涂層體積增大，而冷卻時Al元素發(fā)生收縮，導(dǎo)致涂層表面的孔隙率增加；當(dāng)熱處理溫度達(dá)到500 ℃時，涂層的孔隙率更大，達(dá)到10.63%。

圖4 不同熱處理溫度下涂層的孔隙率

2.2 熱處理對鋁合金涂層性能的影響

圖5為不同熱處理溫度下WC-10Co4Cr涂層的硬度。從圖5中可知，涂層的顯微維氏硬度隨著熱處理溫度的升高而增大。結(jié)合圖3中的XRD圖譜數(shù)據(jù)可知，涂層經(jīng)熱處理后，涂層中富Co、富Cr的非晶相逐漸發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變成CrSi2或Co25Cr25W8C2相，上述相具有較高的硬度，其含量的增加有助于提高富Co、富Cr粘結(jié)相的硬度，從而提高涂層的硬度。

圖6為不同熱處理溫度下WC-10Co4Cr涂層的摩擦因數(shù)。從圖6中可以看出：隨著微動磨損循環(huán)周次的增加，涂層經(jīng)不同溫度熱處理后的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當(dāng)循環(huán)周次達(dá)到2.5×104后，摩擦因數(shù)上升趨勢放緩；當(dāng)涂層經(jīng)過300 ℃×1 h真空熱處理，涂層的平均摩擦因數(shù)最小，平均摩擦因數(shù)為0.574，與未熱處理相比，下降了11.3%；而隨著熱處理溫度的升高，涂層的平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。出現(xiàn)上述變化規(guī)律，主要是涂層摩擦因數(shù)受到涂層的孔隙率與硬度雙重作用而造成的，因?yàn)橥繉涌紫堵试龃髸龃竽Σ烈驍?shù)，涂層硬度提升則會降低摩擦因數(shù)。

圖5 不同熱處理溫度下涂層的硬度

圖6 不同熱處理溫度下涂層的SRV摩擦因數(shù)

圖7為不同熱處理溫度下涂層的SRV摩擦三維形貌。從圖7中可以看出：隨著熱處理溫度的升高，涂層的磨痕深度逐漸下降。圖8為不同熱處理溫度下涂層的微動摩擦體積損失，這與圖4中涂層的硬度變化規(guī)律剛好相反，即涂層的硬度越高，其微動摩擦體積損失越小。與未熱處理相比，涂層經(jīng)300 ℃、400 ℃和500 ℃真空熱處理后，其微動摩擦體積損失分別降低了4.4%、15.0%和18.1%。

圖9為不同熱處理溫度下涂層的SRV磨損SEM形貌。通過對涂層的磨損形貌對比分析認(rèn)為，當(dāng)涂層未經(jīng)熱處理時，涂層磨損面呈現(xiàn)出明顯的鱗屑狀脆性剝落，而且剝落坑中有磨粒出現(xiàn)。這主要是涂層中存在富Co、富Cr的非晶相，非晶相是具有較高硬度的脆性材料，在Si3N4磨球往復(fù)過程中的變載荷作用下易發(fā)生脆性剝離的疲勞磨損[7]，剝落層則作為磨屑引起磨粒磨損，如圖9(a)所示，因此未經(jīng)熱處理的涂層以疲勞磨損和磨粒磨損兩種機(jī)制為主。當(dāng)涂層經(jīng)300 ℃熱處理后，其磨損面不僅觀察到脆性剝落，還發(fā)現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，如圖9(b)所示，這可能是由于熱處理過程中富Co、富Cr的非晶相轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的粘結(jié)相，在摩擦過程中發(fā)生疲勞剝落后，又被反復(fù)擠壓變形并黏著在涂層上，此時，涂層存在疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損三種機(jī)制[8]。對比圖9(b)～圖9(d)可以看出，其磨損機(jī)制基本一致，只是隨著涂層熱處理溫度升高，涂層磨損面的剝落與反復(fù)擠壓并黏著的現(xiàn)象更加明顯，這種反復(fù)擠壓并黏著的過程增加了摩擦的阻力，這與圖6中熱處理溫度升高后涂層摩擦因數(shù)增大的規(guī)律相吻合。

圖7 涂層磨損三維形貌

圖8 磨損體積損失

3 結(jié)論

(1) 采用HVOF方法制備的WC-10Co4Cr涂層中富Co、富Cr的非晶相，經(jīng)真空熱處理后轉(zhuǎn)變成CrSi2相和Co25Cr25W8C2相，且熱處理溫度越高，上述兩相含量越多。

(2) 隨著熱處理溫度的升高，涂層中的孔隙率呈現(xiàn)出先減少后急劇增加的趨勢，其顯微維氏硬度增大，而微動摩擦體積損失逐漸下降。

(3) 未熱處理的涂層磨損機(jī)制主要是以疲勞磨損和磨粒磨損為主，涂層經(jīng)熱處理后，存在疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損三種機(jī)制。

圖9 不同熱處理溫度下涂層的SRV磨損SEM形貌