WC-10Co4Cr涂层的泥浆和砂粒冲刷性能*

刘自敬，邓春明，陈志坤，王 昊

广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代材料表面工程技术重点实验室，广东 广州 510650

WC-10Co4Cr涂层的泥浆和砂粒冲刷性能*

刘自敬，邓春明，陈志坤，王 昊

广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代材料表面工程技术重点实验室，广东 广州 510650

以WC-10Co4Cr粉末为热喷涂粉末，采用低温超音速火焰喷涂(LT-HVOF)和超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备了WC-10Co4Cr涂层，并对两种涂层的泥浆和砂粒冲刷性能进行测试.结果表明：低温超音速火焰喷涂WC涂层的耐泥浆冲刷性能明显优于普通超音速火焰喷涂涂层，而耐砂粒冲刷性能略优于后者.低温超音速火焰喷涂WC涂层较高的致密度和硬度是其耐泥浆和砂粒冲刷性能更好的主要原因.

LT-HVOF；HVOF； WC-10Co4Cr涂层；泥浆冲刷；砂粒冲刷

超音速火焰喷涂(HVOF，High Velocity Oxygen Fuel )技术经过三十多年的发展，技术越来越成熟，其应用也越来越广泛.其中超音速火焰喷涂WC基金属陶瓷涂层具有硬度高、结合强度优良的特点，是其最典型的应用.近二十年来，超音速火焰喷涂WC涂层已经成功替代电镀硬铬应用于液压密封、各类轴、辊等，显著提高了许多高端装备关键部件的耐磨性和耐腐蚀性能，在延长部件使用寿命、提高生产效率和节能节材等方面效果显著[1].随着该技术应用的不断拓展，超音速火焰喷涂WC涂层应用于更恶劣的工况，如高速泥浆冲刷.在服役过程中WC涂层需承受砂粒的冲刷，这些工况对超音速火焰喷涂WC涂层的性能就有了更高的要求[2-3].

为了获得更高质量的超音速火焰喷涂WC涂层，超音速火焰喷涂技术朝着更低的焰流温度和更高的焰流速度的研究方向发展，低温大气环境下避免了粉末粒子的氧化，而高速焰流则保持了WC粉末对前面沉积涂层的喷丸强化作用，从而提高了涂层致密度.新型的超音速火焰喷涂技术出现了温喷涂[4]、高压超音速火焰喷涂[5]等技术.这些工艺的特点是通过对喷枪结构进行改进，或在焰流中注入高流量氮气等提高燃烧室的压力，达到降低焰流温度和提高焰流速度的效果.本文作者开发的低温超音速火焰喷涂技术(LT-HVOF；Low Temperature HVOF)也是在普通超音速火焰喷涂技术的基础上，通过对喷枪和喷嘴结构的改进，提高燃烧室压力，进而获得低温高速焰流，从而获得高致密涂层.

本文以商用WC-10Co4Cr粉末为热喷涂粉末，分别采用常规超音速火焰喷涂和低温超音速火焰喷涂(LT-HVOF)技术制备两种WC-10Co4Cr涂层，然后对涂层在泥浆和砂粒冲刷下的服役性能进行对比，分析其性能差异的原因.

1 实验部分

1.1 涂层制备

图1为实验中采用的经团聚烧结、破碎的WC-10Co4Cr粉末形貌，其粒径为10～30 μm.由图1可知，粉末形状不规则，既有球形粉末，也有棱角尖锐粉末.该粉末流动性能较好.在高倍下可看到，WC-10Co4Cr粉末中WC的粒径为1～2 μm.

分别采用LT-HVOF和HVOF工艺，在经除油清洗、喷砂粗化处理的316L不锈钢表面制备涂层，所制备的WC-10Co4Cr涂层厚度均为200 μm以上，制备涂层的工艺参数列于表1.

1.2 表 征

采用JSM-5910型扫描电镜(JEOL, Japan)对粉体和涂层剖面以及冲刷后的表面进行显微结构观察；以维氏金刚石为压头，采用MH-5D型显微硬度仪对涂层的显微硬度和断裂韧性进行测试，其中显微硬度测试加载力为2.94 N，断裂韧性测试加载力为49 N，加载时间均为15 s.

图1 WC-10Co4Cr粉末形貌Fig.1 Morphologies of WC-10Co4Cr powders

喷涂工艺氧气流量/(L·min-1)煤油流量/(L·h-1)送粉量/(g·min-1)燃烧室压力/MPa喷涂距离/mmLT-HVOF780131001.54220HVOF900261000.84380

泥浆冲刷评价方法：室温条件下，用固液双相流冲刷腐蚀磨损试验机(MF-20，China)测量涂层的耐泥浆冲蚀性能.试样为12 mm×12mm×30mm的长方体，用砂纸将其六个面打磨、抛光至粗糙度为0.25 μm,以防泥浆冲蚀过程中砂粒嵌入基体，影响后续的失重测量.冲蚀前后用酒精清洗涂层，并测其质量.泥浆冲蚀时间为10 h，通过涂层失重来表征其耐泥浆冲蚀性能.泥浆由去离子水和自配的河砂组成(砂粒粒径0.38～1.7 mm),泥浆浓度(体积分数)为17.95%.泥浆冲蚀的线速度为18 m/s，冲击角度为30°，45°和60°.

砂粒冲刷评价方法：室温条件下，用自制的虹吸式冲蚀试验机对涂层进行气体喷砂冲蚀试验，冲击角度为30°和90°，冲蚀时间为0，10，20，30，40，50 s，冲蚀颗粒为白刚玉Al2O3(平均粒径45 μm).气体喷砂冲蚀前后用酒精清洗涂层，并测质量，通过涂层气体喷砂冲蚀体积损失来表征其抗砂粒冲蚀性能(WC涂层密度13.6 mg/cm3).冲蚀参数为空气压力0.4 MPa、冲蚀颗粒速度(50±2)m/s、冲蚀颗粒流量(2.0±0.5)g/min、喷嘴内孔直径(1.5±0.075)mm、喷嘴与试样表面的距离(10±1)mm.

2 实验结果与讨论

2.1 涂层的显微结构

2种WC-10Co4Cr涂层的剖面形貌如图2所示.由图2可知，两种涂层都具有较高的致密度，但采用常规超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层的缺陷偏多，而采用低温超音速火焰喷涂获得的涂层致密度明显偏高.

2.2 涂层的泥浆冲刷性能

在相同的冲刷时间内，泥浆冲击角对WC-10Co4Cr涂层冲刷性能的影响如图3所示.由图3可知，在三种冲击角下，低温超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层的泥浆冲刷体积损失不足普通超音速火焰喷涂涂层体积损失的1/2，说明前者具有良好的耐泥浆冲刷性能.

图2 WC-10Co4Cr涂层的剖面形貌(a)HVOF；(b)LT-HVOF Fig.2 Cross sectional images of WC-10Co4Cr coatings

图3 泥浆冲击角对WC-10Co4Cr涂层冲刷性能的影响Fig.3 Effect of volume loss of WC-10Co4Cr coatings after slurry erosion test

两种WC-10Co4Cr涂层在不同冲击角下泥浆冲刷的表面形貌如图4所示.由图4可看出， HVOF涂层经冲刷后发生明显的涂层剥落，导致在三种冲击角下的体积冲刷量大；LT-HVOF涂层表面的局部区域的粘结相被冲刷掉，露出WC硬质相，随着冲刷的进行，涂层中粘结相的冲刷消耗，最终导致涂层中没有粘结相而发生冲刷脱落.

图4 两种WC-10Co4Cr涂层在不同冲击角下泥浆冲刷后的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of WC-10Co4Cr coatings after slurry erosion at different impingement angles

2.3 涂层的砂粒冲刷性能

在30°和90°两种冲击角下，砂粒冲刷时间对涂层体积损失的影响如图5所示.由图5可知，两种涂层在30°和90°两种冲击角下的体积损失量相当；随着冲刷时间的延长，体积损失量基本呈线性增加；在两种冲击角下，LT-HVOF涂层的砂粒冲刷体积损失量略低于HVOF涂层，说明LT-HVOF涂层具有较优良的耐砂粒冲刷性能.

在30°和90°两种冲击角下，砂粒冲刷50 s后涂层的表面形貌如图6所示.由图6可知，在不同冲击角下两种涂层的表面形貌没有明显的区别，均出现犁沟及颗粒翘起的现象，说明在砂粒冲刷下涂层发生微剥离.

图5 两种WC-10Co4Cr涂层在不同冲击角下的体积冲刷量Fig.5 Volume loss of WC-10Co4Cr coatings after dry sand erosion at different angles

图6 在不同冲击角下砂粒冲刷两种WC-10Co4Cr涂层后的表面形貌Fig.6 Surface morphologies of WC-10Co4Cr coatings after dry sand erosion at different impingement angles

2.4 讨 论

低温超音速火焰喷涂是在低的焰流温度和高的焰流速度下实现高速粒子沉积，制得的涂层较常规超音速火焰喷涂WC涂层具有更高的致密度和显微硬度，尤其是显微硬度.低温超音速火焰喷涂涂层的显微硬度达到1250Hv，较常规超音速火焰喷涂涂层的1100Hv有明显的提高.在相同的泥浆冲刷条件下，低温超音速火焰喷涂涂层的粘结相出现一定程度的冲刷磨损，露出WC硬质颗粒；常规超音速火焰喷涂涂层则出现明显的剥落坑，其耐泥浆冲刷性能较差.而在砂粒的冲刷下，涂层的冲刷性能不仅与涂层的致密度和硬度有关，而且与涂层的断裂韧度有很大关系.涂层的断裂韧度决定了涂层冲刷后裂纹的扩展以及涂层剥落.用压痕法测量涂层的断裂韧度，发现断裂韧度值波动较大.两种WC涂层的断裂韧度值没有明显的区别，为4.5～5.0 MPa·m1/2.在砂粒冲刷下两种涂层的体积冲刷量相近.但由于低温超音速火焰喷涂WC涂层具有更高的显微硬度，该涂层的抗冲刷性能略优于传统的WC涂层.

3 结 论

采用低温超音速火焰喷涂和普通超音速火焰喷涂制备了致密的WC涂层，前者具有更高的致密度和显微硬度，其耐泥浆冲刷性能明显优于后者，而耐砂粒冲刷性能略优于后者.低温超音速火焰喷涂WC涂层较高的致密度和硬度是其耐泥浆和砂粒冲刷性能更好的主要原因.

[1] PICAS J A，FORN A，MATTHUS G.HVOF coatings as an alternative to hard chrome for pistons and valves [J].Wear， 2006，261(5-6)：477-484.

[2] THAKUR L，ARORA N.A comparative study on slurry and dry erosion behaviour of HVOF sprayed WC-CoCr coatings[J].Wear，2013，303(1-2):405-411.

[3] PEAT T，GALLOWAY A，TOUMPIS A，et al.Performance evaluation of HVOF deposited cermet coatings under dry and slurry erosion[J].Surface & Coatings Technology，2016，300：118-127.

[4] KURODA S，WATANABE M，KIM K H，et al.Current status and future prospects of warm spray technology [J].Journal of Thermal Spray Technology，2011，20(4):653-676.

[5] SUN B，FUKANUMA H.Deposition of WC-Co coatings using a novel high pressure HVOF[C].Thermal Spray 2012：Proceedings of the international thermal spray conference.Houston: ASM International，2012：858-863.

Slurry and dry sand erosion performance for WC-10Co4Cr coating

LIU Zijing，DENG Chunming，CHEN Zhikun，WANG Hao

GuangdongInstituteofNewMaterials，NationalEngineeringLaboratoryforModernMaterialsSurfaceEngineeringTechnology，GuangdongProvincialKeyLabforModernMaterialsSurfaceEngineeringTechnology，Guanzhou510650，China

WC-10Co4Crcoatingwaspreparedvialowtemperaturesupersonicflamespraying(LT-HVOF)andsupersonicflamespraying(HVOF)withWC-10Co4Crpowderasthethermalsprayingpowder.Theslurryanddrysanderosionpropertiesofthetwocoatingswasevaluated.TheresultsshowthattheperformanceoflowtemperaturesupersonicflamesprayingWCcoatingisbetterthanthatofordinarysupersonicflamesprayingcoating,andthesanderosionresistanceisslightlybetterthanthelatter.LowtemperaturesupersonicflamesprayingWCcoatinghigherdensityandhardnessisthemainreasonforitsbetterresistancetoslurryandsanderosion.

LT-HVOF；HVOF；WC-10Co4Crcoating；slurryerosion；drysanderosion

2017-04-05

国家科技支撑项目(2014BAF08B03)；广东省科技计划项目(2015B070701024)

刘自敬(1965-)，男，广东阳江市人，工程师，学士.

邓春明(1976-)，男，教授级高工，江西黎川人.

1673-9981(2017)02-0067-05

TB333

A