王小兵，杨定磊

中车成都机车车辆有限公司，四川 成都 610511

1 超音速火焰喷涂工艺概述

超音速火焰喷涂是利用高压氧气与丙烷、丙烯等碳氢系燃气或航空煤油、酒精等液体燃料在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧产生高温高压焰流，其温度可达3200℃，速度高达1500m/s以上[1]。将粉末沿轴向或径向送进火焰中，产生熔化或半熔化的粒子，其高速撞击在基体表面上沉积形成涂层[2]。由于其优异的耐磨损性，超音速火焰喷涂沉积的WC基涂层已经广泛用于机械部件受到严重磨损的许多工业领域[3-4]。文章采用超音速火焰（HVOF）喷涂技术在0Cr18Ni9（ASTM 304）奥氏体不锈钢基材上制备纳米WC-10Co4Cr涂层，利用回归正交设计法对其喷涂工艺进行优化设计。通过光学显微镜分析WC-10Co4Cr涂层的微观组织结构，并对涂层进行孔隙率、显微硬度、厚度的测定，从而确定喷涂的最佳工艺和对涂层的组织性能进行分析。

2 实验材料及实验方法

2.1 实验材料

实验选用的基材为0Cr18Ni9（ASTM 304）奥氏体不锈钢，其化学成分和力学性能如表1、表2[5]所示，各种实验所用的试样规格尺寸如表3所示。

表1 304奥氏体不锈钢的化学成分含量 单位：wt%

表2 304奥氏体不锈钢的力学性能

表3 各种实验所对应的试样规格尺寸

实验所用的喷涂粉末为纳米WC-10Co4Cr粉末，粉末的纯度、粒度、流动性和松装密度等性能如表4所示，粉末的形貌如图1所示。

表4 试验用粉末的粒度、流动性和松装密度

图1 试验纳米WC-10Co4Cr粉末的形貌

2.2 实验方法

实验WC-10Co4Cr涂层喷涂工艺采用16组不同喷涂工艺进行试件对比，喷涂工艺优选实验方案如表5所示。

表5 纳米WC-10Co4Cr喷涂工艺优选因素-水平表

3 实验结果

3.1 涂层金相组织分析

通过对16组试样的金相组织进行分析表明，涂层与基体之间无气孔、裂纹等缺陷，结合性良好。其中第15组试样涂层的平均厚度最厚，为148μm，其金相图如图2所示。

图2 试样15的金相组织图像

3.2 涂层显微硬度分析

根据显微硬度实验，其加载荷载为300g，加载时间为10s，得到每个试样涂层的维氏硬度平均值如表6所示。

由表6可以看出，超音速火焰喷涂纳米WC-10Co4Cr涂层得到的平均硬度值都较大，其中试样3的涂层平均硬度值最大，为1245.65HV，试样16的涂层平均硬度值最小，为791.73HV。

表6 试样涂层的维氏硬度平均值 单位：HV

3.3 涂层孔隙率分析

根据涂层孔隙率测定实验，采用MATLAB将在MR2000型光学显微镜下的500倍放大倍数下的涂层的微观组织图片进行二值化处理，来测定涂层的孔隙率，得到每个试样涂层的孔隙率平均值如表7所示。

由表7可以看出，超音速火焰喷涂纳米WC-10Co4Cr涂层得到的孔隙率都较小，其中试样1的涂层平均孔隙率最小，为0.81%，试样15的涂层平均孔隙率最大，为7.67%。

表7 涂层孔隙率平均值 单位：%

4 结论

（1）超音速火焰喷涂纳米WC-10Co4Cr所得到的涂层与基体间无气孔、裂纹等缺陷，结合良好、孔隙率低、涂层致密。

（2）超音速火焰喷涂纳米WC-10Co4Cr所得到的涂层平均厚度较厚，最厚为148um；涂层平均显微硬度值较大，最大为1245.65HV。