陈焕涛，陈文龙，张晓锋，黄 健，张忠诚, 朱晖朝，黄仁忠，黄 科，叶 云，朱霞高，陈志坤，黄科里，王子乐，陈 江，周广鑫

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

HVOF和APS喷涂WC-10Co-4Cr涂层性能研究

陈焕涛，陈文龙，张晓锋，黄 健，张忠诚, 朱晖朝，黄仁忠，黄 科，叶 云，朱霞高，陈志坤，黄科里，王子乐，陈 江，周广鑫

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

以45号钢为基体分别采用超音速火焰喷涂(HVOF)和大气等离子喷涂(APS)法，制备了两种WC-10Co-4Cr涂层，并对两种工艺喷涂的WC-10Co-4Cr涂层进行了金相显微结构分析、结合强度及硬度测试．试验结果表明：HVOF和APS制备的WC-10Co-4Cr涂层金相组织分布均匀，界面结合致密无杂质；HVOF制备的WC-10Co-4Cr涂层的孔隙率较小，且显微硬度及结合强度均优于APS的．表明，HVOF制备的WC-10Co-4Cr涂层的基本性能优于APS制备的WC-10Co-4Cr涂层．

WC-10Co-4Cr涂层；超音速火焰喷涂(HVOF)；等离子喷涂(APS)；结合强度

用热喷涂技术制备WC-Co复合涂层是目前科学研究的一个新兴的重要领域，WC-Co涂层的制备技术逐渐成为解决重大装备关键零部件耐磨性的关键技术．碳化钨基金属陶瓷是碳化物基金属陶瓷中研究最多、应用最广的一类金属陶瓷．由于WC-Co具有硬度高、抗压强度高及优异的耐磨损等性能，被广泛地应用于制造各种切削刀具、钻井钻头、采矿工具及其他各种耐磨件，以及广泛地应用于航空航天、交通运输、冶金、电力等领域的大型关键零部件中[1]．

WC-Co系列金属陶瓷复合粉末中加入Cr金属后，可提升涂层的抗腐蚀性能[2]．制备WC-10Co-4Cr涂层通常采用超音速火焰喷涂(HVOF)和大气等离子喷涂(APS)法．针对某些特定需求，对两种方法的异同进行分析对比．

1 试样制备

选用45号钢作为基体材料，用超声波清洗吹干喷砂后，在30 min内完成喷涂作业．截取经两种方法喷涂的WC-10Co-4Cr涂层试样的横截面，经镶嵌、研磨、抛光后，用LEICA DMIRM大型倒置式金相显微镜及LEICA MW550图像分析仪，观察涂层微观形貌和涂层与基体界面结合情况及测量涂层孔隙率．用MH-5D显微硬度计测量HVOF和APS制备涂层的维氏显微硬度．用GP-TS2000M万能试验机测试涂层的结合强度.喷涂粉末成分列于表1，HVOF及APS喷涂工艺参数分别列于表2和表3．

表1 WC-10Co-4Cr粉末的化学成分

表2 超音速火焰喷涂(HVOF)喷涂的工艺参数

Table 2 Process parameters of high velocity oxygen flame (HVOF)

煤油/(L·h-1)氧气/(L·h-1)燃烧室压/MPa喷距/mm送粉量/(g·min-1)59200260120

表3 大气等离子 (APS)喷涂的工艺参数

2 实验结果与讨论

2.1 涂层微观分析

用LEICA DMIRM大型倒置式金相显微镜观察涂层微观形貌，用LEICA MW550图像分析仪测量涂层微观性能，图1为WC-10Co-4Cr涂层的微观形貌．从图1可以看出：两种喷涂工艺制备的WC-10Co-4Cr涂层均能与基体形成良好的界面结合，界面结合以机械咬合为主，涂层均匀性良好；两种涂层中都分布着一些细小的氧化物和显微裂纹；HVOF涂层比APS涂层光滑均匀、孔隙率低，其中HVOF的孔隙率小于1%，而APS的孔隙率高达10.9%,表明HVOF涂层比APS涂层更致密、缺陷少．

2.2 涂层维氏显微硬度

用MH-5D显微硬度计测量涂层维氏显微硬度，其结果列于表4．

图1 WC-10Co-4Cr涂层的微观形貌Fig.1 Microstructure of WC-10Co-4Cr coating(a) HVOF；(b)APS

工艺硬度值(HV0.3)APS775.7570.5785.5675.6619.9611.8749.8676.3665.9661.2HVOF1261.21310.91365.21281.51186.71011.41227.71328.21286.91152.6

由表4可知， HVOF制备的涂层平均硬度值为1241，较APS涂层的679高．影响涂层硬度的因素很多，其中涂层微观组织及相结构对涂层硬度有重要影响．涂层越致密、微裂纹越少及平整光滑，涂层的硬度就越高．

2.3 涂层结合强度

用GP-TS2000M万能试验机对APS和HVOF制备的涂层进行结合强度测试，加载速度为1 mm/min．依据ASTM C 633标准，在直径为25.4 mm对偶件上喷涂涂层，涂层的厚度应控制在0.21±0.01 mm．用E-7高温结构胶将无涂层的对偶件和有涂层的对偶件粘结，恒温100 ℃下加热3 h．测试结果列于表5．

表5 WC-10Co-4Cr涂层的结合强度

由表5可知， HVOF制备的涂层结合强度的平均值为78 MPa，APS涂层结合强度的平均值为56 MPa．这是因为等离子喷涂焰流虽温度高，喷涂粉末能够充分熔化，但射流速度不够快，在快的冷却速度下，喷涂粉末与基体碰撞时粒子扁平化程度不高、铺展性不好、熔融粒子之间的结合不够紧密，这就造成涂层的孔隙率增大；由于加热温度高，粒子高温停留时间长，喷涂粒子在飞行过程中与空气中的氧发生反应生成氧化物的倾向增大，氧化物的生成会导致涂层结合不够紧密[4]．超音速火焰喷涂射流速度大，粉末沉积速率快，与基体碰撞变形充分，颗粒与颗粒之间结合更为紧密；由于射流速度大，喷涂粒子在空气中的停留时间也短，与空气中氧接触时间也短，产生氧化物几率较前者小，所以其涂层组织结构更致密．

等离子喷涂温度较高，其WC脱碳分解现象比超音速喷涂的严重．虽然WC的脱碳反应会生成部分W2C和Co6W6C相，生成的W2C相的硬度高于WC相[5]，但由于含量低，对涂层硬度的影响甚微．因此，HVOF涂层的硬度及结合强度显著高于APS涂层．

与 APS喷涂工艺对比，无论从微观组织还是力学性能方面，HVOF 喷涂制备的WC-10Co-4Cr涂层都具有独特的优越性．首先，HVOF火焰温度比等离子弧低，能有效地抑制WC-10Co-4Cr的脱碳和分解；其次，HVOF的射流速度比较高，喷涂粒子速度可达到 650 m/s[6]，熔融的颗粒在空气介质中停留时间相对较短，也可有效地减少粉末的脱碳和分解，并且由于颗粒的动能大，涂层与基体的结合更加紧密．

3 结 论

(1)HVOF超音速火焰喷涂工艺和APS大气等离子喷涂工艺制备的WC-10Co-4Cr涂层均能与基体形成良好的界面结合，界面结合以机械咬合为主，涂层均匀性良好．

(2)HVOF超音速火焰喷涂工艺制备的WC-10Co-4Cr涂层的显微硬度高于APS大气等离子喷涂的．

(3)HVOF超音速火焰喷涂工艺制备的WC-10Co-4Cr涂层的孔隙率为1%，远小于APS大气等离子喷涂的．

(4)HVOF超音速火焰喷涂工艺制备的WC-10Co-4Cr涂层的结合强度优于APS大气等离子喷涂的．

[1] 程正明，刘敏，邓春明，等．喷距对低温超音速火焰喷涂钛涂层显微结构与性能的影响[J]．表面技术，2014，43(2)：13-17．

[2] 韩滔，邓春明，罗兵辉，等．喷距对低温超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr 涂层性能的影响[J]．中南大学学报：自然科学版，2015，46(3)：823-827.

[3] MAO W G，WAN J，DAI C Y. Evaluation of microhardness, fracture toughness and residual stress in a thermal barrier coating system：Amodified vickers indentation technique[J]. Surface & Coatings Technology，2012，206(21)：4455-4461.

[4] 尤群．HVOF与APS喷涂WC-12Co涂层组织与性能研究[D]．长春：吉林大学，2012．

[5] 王博．超音速火焰喷涂制备WC-10Co-4Cr涂层工艺参数的优化[J]．机械工程材料，2012，36(10)：58-61．

[6] 陶凯，崔华，周香林．超音速火焰(HVOF)喷涂过程中颗粒行为数值模拟的研究进展[J]．材料导报，2006，20(4)：112-116．

Study on the performance of HVOF and atmospheric plasma sprayed WC-10Co-4Cr coatings

CHEN Huantao，CHEN Wenlong，ZHANG Xiaofeng，HUANG Jian，ZHANG Zhongcheng，ZHU Huizhao， HUANG Renzhong，HUANG Ke，YE Yun，ZHU Xiagao，CHEN Zhikun，HUANG Ke li WANG Zile，CHEN Jiang，ZHOU Guangxin

NationalEngineeringLaboratoryforModernMaterialsSurfaceEngineeringTechnology&TheKeyLabofGuangdongforModernSurfaceEngineeringTechnology,GuangdongInstituteofNewMaterials，Guangzhou510650，China

In order to prepare the WC-10Co-4Cr coating with excellent performance，two kinds of WC-10Co-4Cr coatings were prepared on 45# steel substrate by high velocity oxygen flame (HVOF) technology and atmospheric plasma spraying (APS)．Metallographic structure analysis，bonding strength and hardness test of WC-10Co-4Cr coating sprayed on these two kinds of technology were carried out separately．The results show that the microstructure of WC-10Co-4Cr coatings prepared by APS and HVOF were evenly distributed，good interface state without impurities. However, HVOF preparation of WC-10Co-4Cr coating porosity is smaller，microhardness and bonding strength were better than that of APS，so WC-10Co-4Cr coatings prepared by HVOF is better than the basic properties of APS prepared．

WC-10Co-4Cr coating；high velocity oxygen flame(HVOF)； atmospheric plasma spraying(APS)；bonding strength

2016-07-26

陈焕涛(1989-)，海南屯昌人，本科.

1673-9981(2017)01-0030-04

TG174.444

A