超音速火焰噴涂鈷/碳化鎢涂層替代爆炸噴涂工藝分析與驗證

蔣玉平 羅朝勇 張策

中國航發成都發動機有限公司 四川 成都 610503

引言

爆炸噴涂是利用可燃氣體爆炸產生的沖擊波能量，將待涂覆的粉末顆粒加熱加速，轟擊到基體表面形成涂層的方法。

超音速火焰噴涂（High Velocity Oxy-fuel Spraying Process，HVOF），它是在爆炸噴涂基礎上發展而來的一種新噴涂技術。超音速火焰噴涂是將助燃氣體與燃燒氣體在燃燒室中連續燃燒，燃燒的火焰在燃燒室內產生高壓并通過與燃燒室出口連接的膨脹噴嘴產生高速焰流，噴涂材料被送入高速射流中被加熱、加速噴射到經預處理的基體表面形成涂層的方法[1]。超音速火焰噴涂以其超高的焰流速度和相對較低的溫度，在噴涂金屬碳化物和合金等材料方面具有明顯優勢[2]。

某型軸承座零件由于需要在高抗耐磨條件下使用，因此設計采用爆炸噴涂鈷/碳化鎢（Co/WC）涂層。目前公司無爆炸噴涂加工設備，但考慮到超音速火焰噴涂是在爆炸噴涂基礎上發展而來的一種新噴涂技術，且公司目前擁有多臺超音速噴涂設備，具備豐富的超音速噴涂加工經驗，因此擬采用超音速火焰噴涂鈷/碳化鎢作為爆炸噴涂鈷/碳化鎢的替代工藝。同時，隨著國內外涂層材料生產能力的飛速發展，具備熱噴涂用鈷/碳化鎢（Co/WC）粉末制造能力的供應商越來越多，但各供應商生產的粉末材料性能參差不齊，目前國內對不同供應商生產的粉末材料噴涂工藝性能差異研究較少[2]。本文擬采用進口HVOF設備，選取國內外熱噴涂粉末材料優質供應商生產的鈷/碳化鎢粉末進行噴涂工藝試驗，開展工藝性能對比，確定性能最佳的粉末以及可用備選粉末，并對比分析超音速火焰噴涂鈷/碳化鎢涂層與爆炸噴涂鈷/碳化鎢涂層性能，最終確認可用超音速火焰噴涂鈷/碳化鎢涂層替代爆炸噴涂鈷/碳化鎢涂層，為后續產品加工提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗粉末采用北京礦冶科技集團有限公司金屬材料研究所、自貢長城硬面材料有限公司、歐瑞康美科公司不同粉末，主要成分、粒度組成見表1。試片材料選擇Inconel718，金相試樣和硬度試樣的尺寸為25.4mm×25.4mm×2.5mm，黏接拉力強度試樣的尺寸為φ25×6mm。

表1 各粉末材料成分、粒度分布

1.2 試驗方法和內容

采用HVOF分別制備高硬度高結合強度的鈷碳化鎢（Co/WC）涂層。HVOF噴涂設備采用美國DeloroStellite公司Jet-KoteⅢ，噴槍JK3000。采用ABB機械手自動噴涂。氣體采用高純度的Ar、H2和O2，送粉氣體為氬氣。

噴涂前先用丙酮清洗試樣表面，然后采用自動吹砂機60#的棕剛玉對試樣表面進行粗化處理。

不同粉末采用HVOF噴涂優化工藝參數分別制備鈷碳化鎢（Co/WC）涂層，使其性能硬度達到1050～1350HV100gf以上，結合強度≥65Mpa。再檢測其金相組織、性能，其中孔隙率≤1.5%[3]。

采用WDW-100拉伸試驗機ASTMC633標準檢測涂層結合強度；顯微硬度值取10次測量的平均值。采用Apreo S掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對試樣涂層斷口形貌及成分進行分析；采用圖像分析法測量涂層孔隙率，為10次測量的平均值；氧化物含量采用圖像分析法測量，為10次測量平均值；采用LM-700AT顯微硬度計測量涂層顯微硬度，載荷為100g，加載時間為10s，測量結果為十點平均值。

2 試驗結果和分析

2.1 采用美科Metco72F-NS粉末

采用超音速火焰噴涂Metco72F-NS，按已成熟應用的工藝參數表2進行噴涂[4]，試樣按HB 7627-1998檢測，其結果見表3，從結果來看涂層顯微硬度、結合強度、富鈷相等滿足要求，但涂層孔隙率難以達到小于1.5%的要求，同時顯微組織中偶爾會出現裂紋，不滿足HB 7627-1998要求[5]。

表2 Metco72F-NS噴涂工藝參數

表3 Metco72F-NS噴涂試驗結果

2.2 采用美科Metco73F-NS-2粉末

參考粉末供應商類似粉末推薦參數結合焰流燃燒狀況[6]，設計了多組噴涂Metco73F-NS-2粉末工藝參數，其中典型工藝參數見表4，檢測其性能，其結果見表5。

表4 Metco73F-NS-2噴涂工藝參數

表5 Metco73F-NS-2噴涂試驗結果

從上述結果可以看出，4組工藝參數實驗結果均滿足HB 7627-1998要求，其中第2組試驗結果孔隙率，結合強度更高[7]，其中氫、氧氣比第2組更高或更低、噴涂距離更遠或更近、送粉轉速更低或更高的參數噴涂結果均比第2組孔隙率更高。因此可認為第2組參數為Metco73F-NS-2最佳噴涂工藝參數，其性能為最佳性能。

2.3 國產碳化鎢/鈷聚合粉末

參考粉末供應廠家推薦參數結合焰流燃燒狀況，設計了多組噴涂碳化鎢/鈷聚合粉末工藝參數，其中典型工藝參數見表6，檢測其性能，其結果見表7。

表6 碳化鎢/鈷聚合粉末噴涂工藝參數

表7 碳化鎢/鈷聚合粉末噴涂試驗結果

從上述結果可以看出，第3組試驗結果孔隙率最低，可認為第3組參數為碳化鎢/鈷聚合粉末最佳噴涂工藝參數，其性能為最佳性能。但3組工藝參數實驗結果孔隙率均不滿足HB 7627-1998要求。

2.4 國產ZTC4252CA粉末

參考粉末供應廠家推薦參數結合焰流燃燒狀況，設計了多組噴涂ZTC4252CA粉末工藝參數，其中典型工藝參數見表8，檢測其性能，其結果見表9。

表8 ZTC4252CA粉末噴涂工藝參數

表9 ZTC4252CA粉末噴涂試驗結果

從上述結果可以看出，3組工藝參數實驗結果均滿足HB 7627-1998要求。其中第2組試驗結果孔隙率最低、結合強度最高，可認為第2組參數為ZTC4252CA粉末最佳噴涂工藝參數，其性能為最佳。

2.5 粉末對比

從顯微組織均勻性、孔隙率、結合強度等性能要求對各涂層粉末進行對比，具體情況見表10。

表10 涂層性能檢測結果

從對比結果可以看出，ZTC4252CA、Metco 73F-NS-2均能滿足設計標準HB 7627-1998要求，其中Metco 73F-NS從顯微組織均勻性、孔隙率、結合強度等性能來看，優于其他幾種粉末。因此我們選擇Metco 73F-NS-2作為進一步試驗用粉末，同時國產粉末ZTC4252CA粉末可作為后續國產化技術儲備粉末[8]。

2.6 超音速火焰噴涂與爆炸噴涂對比

通過超音速火焰噴涂與爆炸噴涂涂層的性能、生產成本、應用范圍等對比，超音速火焰噴涂相對爆炸噴涂涂層性能相當，效率更高，環境影響較小[9]，具體見表11。

3 結束語

根據超音速火焰噴涂工藝特點，選取了不同進口、國產鈷/碳化鎢涂層粉末材料開展噴涂工藝試驗，通過試驗分析驗證，掌握了進口和國產粉末性能特點，并確定了最優涂層粉末及其工藝參數，為指導后續生產加工提供了數據支撐。超音速火焰噴涂鈷碳化鎢涂層性能與爆炸噴涂鈷碳化鎢涂層性能指標相當，效率更高，環境影響較小，具有更好的應用前景和推廣價值，因此超音速火焰噴涂鈷/碳化鎢涂層可用于替代爆炸噴涂鈷碳化鎢涂層工藝。