WC-Co耐磨耐腐蚀涂层粉末规模化制备的研究

王学政 宋晓瑞 朱春雨 刘成龙 崔家乐

【摘  要】为有效解决超细/纳米WC-Co在热喷涂时容易脱碳的相关问题，制备耐磨性与耐腐蚀性良好的涂层粉末，并切实广泛应用于工业领域。基于原位合成技术批量化制备的WC-Co粉末为原料，在保持既有喷涂喂料粉末的前提下，通过超音速火焰噴涂工艺（HVOF）规模化制备超细结构WC-Co涂层。试验结果表明，WC-Co涂层粉末的耐磨粒磨损性能与耐腐蚀性能较好。

【Abstract】In order to effectively solve the problem of decarburization of ultra-fine/nano WC-Co during thermal spraying， coating powders with good wear resistance and corrosion resistance were prepared and widely used in industrial fields. Taking the WC-Co coatings prepared by in situ synthesis technology as raw material， WC-Co coatings with ultra-fine structure were prepared by HVOF process on the premise of maintaining the existing spray feed powder. The results show that WC-Co coating powder has better wear resistance and corrosion resistance.

【关键词】WC-Co粉末;耐磨;耐腐蚀;涂层;规模化

【Keywords】WC-Co powder; wear resistance; corrosion resistance; coating; large scale

【中图分类号】TG174.4                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）09-0178-02

1 涂层耐磨耐腐蚀机理分析

1.1 磨损机制

耐磨性涂层的硬度较高，但是塑性一般，所以涂层材料磨损机制通常为磨料磨损，而于高温、高载荷、无润滑状态下，耐磨性涂层依旧会发生剥裂失效、塑性变形、粘着磨损等摩擦磨损现象。涂层磨损机制既与温度、润滑等要素相关，又与摩擦循环次数相关，负载愈大，润滑效果愈差，温度愈高，粘着磨损发生几率愈大。

1.2 导热性

导热性能对涂层材料的耐磨性影响十分显著，导热性愈好，耐磨性愈好。通常状况下，涂层材料磨损机制即磨粒磨损，表层接触范围偏小，而涂层导热性相对较低，所以摩擦生成热量扩散难度较大，导致局部温度上升，形成大范围局部热应力。而热应力的存在将会直接导致涂层部分断裂剥落。

1.3 孔隙/微裂纹

在摩擦时，摩擦应力与热应力极易集中于涂层内多孔隙与微裂缝等位置。较小但分布相对均匀的孔隙可有效防止局部应力集中，网状微裂缝对于裂缝扩展有着良好的抑制作用。为切实改善优化耐磨耐腐蚀涂层相关性能，最关键的就是孔隙率缩小，孔隙尺寸缩减，并尽可能均衡分布。与此同时，应最大程度上防止较大且不规则的孔隙与纵向贯穿涂层的裂缝。

2 不同耐磨耐腐蚀涂层材料对比分析

制备耐磨涂层的陶瓷材料主要包含氧化物与碳化物，其中氧化物耐磨涂层材料即氧化铝耐磨耐腐蚀性良好;氧化铬的高温耐磨性良好。氧化物耐磨涂层材料通常通过适度添加相关添加剂，以提升涂层韧性。

碳化物耐磨耐腐蚀涂层材料，碳化物熔点比较高，硬度较大，属于超硬材料，耐磨性非常强大。但是由于碳化物的脆性过大，通常不会直接使用，需添加Co、Ni等相关金属以此为粘结剂，从而强化韧性。与其他耐磨耐腐蚀性涂层材料对比，于500℃以内WC-Co耐磨耐腐蚀涂层材料的综合性能更为优异。具体如表1所示。

3 WC-Co耐磨耐腐蚀涂层粉末规模化制备

3.1 涂层粉末制备

基于原位合成的WC-Co复合粉末、去离子水、粘结剂、分散剂混合制浆，以离心喷雾干燥法实现团聚造粒，并热处理团聚后粉末，以此去除有机成分，强化复合粉末颗粒内聚强度。通过气流分级分选团聚粉末，以获取粒径分布于15～45μm的热喷涂喂料。选择HVOF喷涂系统进行涂层制备，工艺参数具体如表2所示。

3.2 HVOF喷涂工艺

基于不送粉条件，以火焰流吹扫已经夹装完成的基体表层，次数为1～2次，据此以火焰作用高温消除基体表层水分，并进行基体预热，避免喷涂时生成过大温差，引发裂缝，直接影响涂层质量;以高压氮气为辅助传输粉末于喷枪内，同时适度调整喷涂工艺相关参数，直到符合实验设计要求;根据所输入程序与参数喷涂基体材料;符合实验设计要求之后，停止进行送粉，以此结束喷涂。

3.3 性能测试方法

通过橡胶轮磨粒磨损装置进行涂层粉末耐磨性测试，表层添加载荷45N、130N，磨料即棕刚玉，转速即200r/min，磨损时间即30min，正式测试之前，预磨处理5min;通过CHI604电化学工作站测试涂层粉末耐腐蚀性能，腐蚀液即3.5%（质量分数）NaCl溶液。

3.4 性能测试结果

3.4.1 耐磨性分析

基于130μm与200μm不同尺寸的棕刚玉磨粒与载荷条件，面向所制备超细纳米WC-Co涂层与微米WC-Co涂层开展磨粒磨损测试，结果具体如表3所示。

由表3可知，不同测试条件下，超细纳米硬质合金涂层的耐磨性更高，更优质，这是由于超细纳米涂层的组织结构致密度、硬度、韧性较高。相比微米WC-Co涂层，基于HVOF工艺制备的超细/纳米WC-Co涂层韧性显著提升。在相关超细/纳米涂层韧性研究中，Bartuli指出更加细小的碳化物，更加均匀的增强相分布，由非晶Co相内解析的纳米级硬质颗粒，强化了裂缝生成与扩展阻力，基于均匀分布的细小硬质相，裂缝均自由扩展路径会有所延长，从而造成高能量消耗，以此强化超细/纳米涂层韧性;陈辉指出在WC颗粒尺寸下降为纳米级时，晶界会出现滑移变形，促使超细/纳米涂层韧性明显提升。而热喷涂WC-Co涂层过程中，富Co粘结相以非晶态Co-W-C形态存在，而WC不完全熔化，易造成表面与内部间的界面区域出现残余应力，以及微裂缝，这些现象都会导致涂层韧性下降。据此，超细/纳米WC-Co涂层韧性的提升，既受WC尺寸效应影响，又受层片之间结合力、涂层内应力、W2C脆性相含量等多重作用影响。

超细/纳米WC-Co涂层中存在椭圆形凹坑，是由于Co膜与WC颗粒之间相界面断裂引发，WC颗粒尺寸缩小，导致相界面积变大，可消耗大量裂缝拓展能量，以提升涂层断裂韧性。

HVOF喷涂过程中，超细/纳米WC-Co晶粒大体都属于等轴晶，边角圆滑，极有可能是因为喷涂粒子于焰流内停留时间过于短暂，沉积时冷却速度非常快，导致多数纳米WC晶粒表层融化，并未合并长大，却保持了初始复合粉末内纳米WC组织形态。海量纳米级别硬质相存在，在很大程度上阻碍了粘结相内裂缝的扩展，促使超细/纳米WC-Co涂层韧性显著提升。

3.4.2 耐腐蚀性分析

超细/纳米WC-Co涂层、16Mn钢的电化学腐蚀测试结果具体如表4所示。

由表4可知，超细/纳米WC-Co涂层的WC具备良好耐腐蚀性，粘结相Co也具备优异的耐腐蚀性，所以WC-Co涂层也呈现出较好的耐腐蚀性。

由图1可知，电化学腐蚀表层具有许多基于WC粒子脱落所造成的腐蚀坑，其周围则为金属粘结项。此腐蚀形貌的形成原因具体为，WC-Co涂层由WC相与金属粘结相Co构成，WC电位明顯高于金属粘结相点位。由于二者的电位差，在腐蚀时，WC-Co涂层表层会出现各式各样的腐蚀微电池，此效应会导致WC相边缘的粘结相出现腐蚀，由于界面位置的粘结相逐渐被腐蚀，WC相颗粒会在失去粘结相支持与固定之后，出现严重脱落，而在WC-Co涂层表面便会出现许多腐蚀坑。

4 结语

综上所述，批量化制备的超细/纳米WC-Co涂层粉末的物相纯净，于不同测试条件下，其耐磨性都非常高，这是由于超细纳米涂层的组织结构致密度、硬度、韧性较高;且通过HVOF工艺喷涂WC-Co粉末，涂层WC相与粘结相Co同时具备良好的耐腐蚀性，所以WC-Co涂层呈现出较好的耐腐蚀性。

【参考文献】

【1】邱晓来，王汉洲，黄明金，等.HVOF制备的WC-10Co4Cr涂层性能及其在硬密封球阀上的应用[J].煤化工，2018，46（4）：64-68.

【2】陈杰，宋惠，戴宇，等.镁合金表面冷喷涂420不锈钢/WC-17Co涂层及其耐磨耐蚀性能[J].航空材料学报，2018，38（4）：82-86.