TC27钛合金超音速火焰喷涂WC-17Co耐磨涂层工艺研究

张业勤　齐立春　黄利军　张文强　黄驿胜

摘  要：针对TC27钛合金采用超音速火焰喷涂技术制备WC-17Co耐磨涂层，通过正交实验研究了氧燃比、丙烷流量、空气流量、送粉速率、喷涂距离对显微硬度、结合强度、孔隙率的影响，运用极差分析法确定了最优的喷涂工艺。研究表明：送粉速率对显微硬度的影响最大，氧燃比对结合强度的影响最大，空气流量对孔隙率的影响最大。

关键词：TC27钛合金;超音速火焰喷涂;WC-17Co耐磨涂层;正交实验;极差分析法

中图分类号：TG174文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）17-0120-03

Abstract： WC-17Co wear-resistant coating was prepared for TC27 titanium alloy by HVOF spray process. The influence of oxygen/fuel ratio， propane flow rate， air flow rate， powder feeding rate and spraying distance on micro-hardness， bending strength and porosity were investigated by orthogonal experiment. The optimum spraying process was determined by range analysis. The results revealed that the powder feeding rate has the greatest influence on the micro-hardness， the oxygen/fuel ratio has the greatest influence on the bending strength， and the air flow rate has the greatest influence on the porosity.

Keywords： TC27 titanium alloy; HVOF; WC-17Co wear-resistant coating; orthogonal experiment; range analysis

1 概述

TC27钛合金[1]是北京航空材料研究院自主研发的一种新型高强高韧高淬透性近β型钛合金，它具有比强度高、断裂韧度好、成形性能好和抗应力腐蚀能力强等优点，主要应用于航空航天及兵器行业重要承力部件。但当TC27钛合金需要与其他材料（如钢）构件相连接时，因其表面硬度低、耐磨性差限制了使用。超音速火焰喷涂技术[2-4]是国外八十年代开发出的热喷涂技术，在国外尤其是航空领域得到了较深入的研究和广泛的应用。该工艺环保、无氢脆、对基体疲劳性能影响较小，可在钢[5]、钛[6]、铝[7]表面制备致密度高、结合强度高的金属和金属陶瓷涂层，尤其在喷涂WC高耐磨性能涂层方面具有极大的优势。国内也在TC4、TC18、TC21钛合金上开展了大量喷涂WC耐磨涂层的应用研究。为了促进TC27钛合金得到广泛应用，本文针对TC27钛合金进行超音速火焰喷涂WC-17Co耐磨涂层工艺研究，达到涂层性能的同时不影响基体材料的关键力学性能，以保证防护涂层体系的安全、可靠。

2 实验

2.1 实验设备及材料

采用DJ2700型超音速喷涂（HVOF）设备制备耐磨涂层。基体材料为TC27钛合金，喷涂材料选用Diamalloy 2005NS（WC-17Co）粉末。喷涂前先用丙酮进行超声波清洗，再用46目的棕刚玉磨料进行表面喷砂处理，然后采用压缩空气除掉基体表面镶嵌的砂粒。

2.2 实验方法

TC27钛合金超音速火焰喷涂WC-17Co耐磨涂层工艺实验采用5因素4水平正交实验进行， 实验的因素水平表如表1所示，其中因素A为氧燃比，因素B为丙烷流量，因素C为空气流量，因素D为送粉速率，因素E为喷涂距离。正交实验以显微硬度、结合强度、孔隙率作为评价耐磨涂层的考核指标。

3 结果和讨论

正交实验的结果如表2所示，通过直观分析可知，第9组显微硬度最高，对应的因素水平是A3B1C3D4E2;第7组结合强度最高，对应的因素水平是A2B3C4D1E2;第2组孔隙率最低，对应的因素水平是A1B2C2D2E2。

为了获得最优的喷涂工艺，对正交实验的结果进行极差分析，如表3所示。对于不同的耐磨涂层的考核指标，五个因素对其的影响是不同的，不同指标所对应的最优工艺也是不同的，所以需要通过对各因素对不同指标的影响程度进行综合分析，按照影响程度的主次关系得到综合的最优喷涂工艺。因素A氧燃比对结合强度的影响是最大的，取A4水平比较好，但A4和A2相差不大，但对孔隙率的影响排在第二，取A2水平比较好，对显微硬度的影响相对较小，综合考虑确定因素A选取的最优水平为A2。因素B丙烷流量对结合强度、孔隙率而言都是取B2水平比较好，对显微硬度而言取B3水平比较好，但B2和B3水平相差不大，综合考虑确定因素B选取的最优水平为B2。因素C空气流量对孔隙率的影响是最大的，取C3水平比较好，但C3水平时显微硬度最低，虽然从极差大小来看因素C对显微硬度的影响最小，但因素A、B、C对显微硬度的极差相差很小，因而因素C对显微硬度的影响不能轻易忽视;因素C对结合强度的影响排在第二，取C4水平比较好，但C4水平孔隙率太大，接近1%，也不可取，综合考虑确定因素C选取的最优水平为C2，显微硬度最高，结合强度较高，孔隙率较低。因素D送粉速率对显微硬度的影响最大，取D4水平比较好，但结合强度最低，孔隙率最低，再考虑到粉末沉积速度和利用率，综合考虑确定因素D选取的最优水平为D2。因素E喷涂距离对结合强度、孔隙率而言都是取E2水平比较好，对显微硬度而言取E3水平比较好，但E2和E3水平显微硬度相差很小，综合考虑确定因素E的最优水平为E2。根據以上分析，考虑到各因素对不同指标影响程度的大小以及服从多数原则，最终确定最优的喷涂工艺为A2B2C2D2E2，即氧燃比为1，丙烷流量为35 FMR，空气流量为40FMR，送粉速率为55g/min，喷涂距离为22.5cm。

4 结束语

（1）送粉速率对显微硬度的影响最大，氧燃比对结合强度的影响最大，空气流量对孔隙率的影响最大。

（2）通过极差分析最终确定最优的喷涂工艺为A2B2C

2D2E2，即氧燃比为1，丙烷流量为35FMR，空气流量为40FMR，送粉速率为55g/min，喷涂距离为22.5cm。

参考文献：

[1]张业勤，沙爱学，黄利军，等.一种新型高强高韧TC27钛合金的高温变形行为研究[J].科技导报，2014，32（24）：25-29.

[2]王志健，田欣利.超音速火焰喷涂理论与技术的研究进展[J].兵器材料科学与工程，2002，25（3）：62-65.

[3]蔡宏图，江涛，周勇.热喷涂技术的研究现状与发展趋势[J].装备制造技术，2014，6：28-31.

[4]王华仁.超音速火焰喷涂技术及应用[J].东方电机，2007（4）：45-50.

[5]殷傲宇，邓畅光，张吉阜，等.超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对30CrMnSiA钢防护性能的影响[J].热喷涂技术，2011，3（3）：60-64.

[6]张佳平，董秀琦，朱丽娟，等.WC粉末爆炸喷涂BT-20钛合金的涂层性能研究[J].铸造技术，2005，26（1）：25-27.

[7]PUCHI -CABRERA E S，STAIA M H，SANTANA Y Y，et al.Fatigue behavior of AA7075 -T6 aluminum alloy coated with a WC-10Co-4Cr cermet by HVOF thermal spray [J]. Surface andCoatings Technology.2013，220（15）：122-130.