赵艳艳

（渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 125105）

热喷涂WC-Co涂层凭借良好的性能优势在诸多行业中实现了大规模化普及与应用[1-3]。概括来讲，等离子喷涂技术具有适用广、投入少等显著优势，进而受到了各界人士的高度认可与极力推崇。而等离子喷涂制备涂层的产生孔隙，会直接影响涂层组织性能，成为该类研究的关键问题之一[5]。现有结果已明确证实，可通过优化工艺参数、研发新喷枪等多种方法来提高涂层性能，但通过添加粉末这种方法来改善WC涂层性能的研究在我国还处于空白状态。对此，在本课题研究中，笔者将铜粉与WC粉末混合，通过专业且成熟的等离子喷涂技术制取涂层，在此基础上，对涂层的组织特征和硬度变化进行全面、仔细的观察与分析，旨在探讨出铜在WC-12Co涂层发挥的成效作用。

1 实验材料与方法

在本实验中，笔者使用了两种不同性质的粉末，一种是陶瓷粉末WC-Co（其中Co占比为12%），粒度尺寸介于45～75μm区间内，通过显微镜扫描及X射线照射获取到的效果图可分别详见图1a，1b，该粉末是比较常见的一种烧结破碎粉，以棱角状为主，颗粒相对紧凑，Co粘结剂中含量诸多WC颗粒，就相结构组成上来看，主要分为两部分，一是主相WC，二是金属Co；另一种是电解铜粉Cu180，粒度尺寸介于45～75μm区间，通过显微镜扫描生成的图像如图2所示。值得一提的是，笔者严格按照体积比来混合这两种粉末，其中Cu180的体积占比依次为5%、10%、15%、20%。试样基体材料由45#钢制备而成，体积为20mm×15mm×4mm。在保证喷涂表面无任何杂质、灰尘的情况下才能开展喷涂作业。

经多方面对比与分析之后，笔者决定在本实验中选用等离子喷涂装置PlasmaLE-15，严格按照表1设定的工艺参数来制取涂层。同时，利用MH-6仪器对截面的显微硬度HV0.3进行检测，通过OLYMPUSGX51型显微镜细致观察涂层的结构特征，并使用Philips-XL30扫描电镜和RigakuD/Max-ⅢA型射线衍射仪（CuKα，λ=1.78897A°，步长 0.02°，扫描速度为 8°/min，扫描空间 20°～90°，运行电压 35kV，运行电流 30mA）对其断口形貌和相组成结构进行客观、正确地分析。

图1 WC-12Co粉末的扫描电镜照片（a）和XRD图谱（b）

图2 Cu180粉末的扫描照片

表1 喷涂工艺参数

2 实验结果与讨论

2.1 涂层截面的金相组织和显微硬度

仔细观察图3可进一步了解到，Cu180粉添加量不同，WC-12Co涂层的结构表征变化不同。具体来讲，黑色的孔状物质是气孔（即箭头“A”）；浅黄色物质是铜（即箭头“B”），而同时拥有黑、黄两种颜色的则是铜的氧化物，也就是生活中比较常见的氧化铜和氧化亚铜。在铜含量不断增大的情况下，涂层结构的紧凑性会随之增强，孔隙率也会不断走低，而且孔隙的体积会大幅缩小。由此可见，铜会使WC-12Co涂层的孔隙发生显著变化，既能有效改善涂层的组织结构，还能将孔隙率降到最低。

在对表2的相关数据进行全面分析后进一步了解到，在铜粉量不断增加的情况下，涂层的硬度会随之下降。涂层结构组成相对比较简单，只由三部分组成，一是变形颗粒，二是孔隙，三是氧化物，而涂层硬度变化是在多重因素的共同作用下形成的，而最主要的是孔隙率、硬质相分布等。但大量实践研究证实，孔隙率对硬度造成的影响是最大的，正常来讲，只要合理控制孔隙率，就能使涂层硬度显著增强；Co的熔融水平对WC粒子牢固度产生了决定性影响，倘若不含有Co，WC粒子就会轻松被打碎，导致涂层性能下降，具体表现为硬度变小、脆性变强；一般情况下，硬质相成分越高、分布越合理、WC含量越多，相颗粒间距就越小，则涂层硬度的改善效果就越显著。由上文分析可知，在铜粉末含量不断增多的情况下，涂层孔隙率会随之降低，由此便能显著改善涂层结构，但硬质相却大幅减少，最关键的一点是即便孔隙率降到了合理范围，但因为硬质相减少仍无法使涂层硬度达到预期要求。所以在铜粉末添加量不断增加时，涂层硬度反而会大幅降低。

图3 添加不同含量铜的WC-12Co涂层的断面金相

表2 涂层硬度值（HV0.3）

2.2 添加剂铜的作用机理讨论

由于涂层形成涉及多环节操作，因此显得尤为复杂[7]。受表面张力影响，被加工成为熔融态的颗粒在未抵达工件前主要呈球形，与基体或完全凝固的涂层表面相碰撞时，熔滴就会因巨大的冲击力而发生形态改变，演变成为薄圆片，对于这一变化过程业界人士习惯性地将其命名为“摊片”，最后成为碟形或薄饼形颗粒[8]。但在喷涂熔滴的过程中，受多方面因素限制与影响，各颗粒之间或各片层之间常常会因为没有被熔体完全填充满而形成一些形状不一的孔隙，在此情况下就无法保证涂层性能[9]。

通过图4可进一步了解到，a、b反映了WC颗粒与表面相碰撞所形成的一种形貌，c、d反映了Cu颗粒与表面相碰撞后所形成的一种形貌。其中，图4a的WC颗粒只有少部分被熔化，并且颗粒上出现了大量尺寸不一的孔隙，而4b中的颗粒则已被完全熔化，与表面相碰撞后迅速摊开并凝固成为薄圆片。图4c、4d中Cu颗粒也被彻底熔化，在与表面相碰撞后迅速摊开并凝固成为薄圆片，在对图4c进行深入分析后进一步了解到，摊片表面残留大量深色物质，实际上这是铜的氧化物；在对图4d进行深入分析后进一步了解到，摊片表现为明显的流散状，由于铜熔点低，液态铜具有很强的流动性，能够被完全熔融，同时在强大动能的助推下，颗粒就会形成理想的扁平化形貌。

通过图5可对WC-12Co和20%Cu-WC-12Co涂层的断口SEM形貌特征有更全面且清晰地认知与了解。受外部作用力影响，涂层发生不同程度的断裂，正如图中所示形成了大量小孔，也就进一步说明，在外力作用下，颗粒与颗粒之间可轻松被打碎。在对图5a进行深入分析后进一步了解到，WC-12Co涂层结构不够紧致，孔隙率相对较高；而5b中的20%Cu-WC-12Co涂层结构密实，孔隙量小且分布合理。与碳化钨相比，铜相的活性更大，由于它张力小、粘度小，熔化粒子的流动水平大幅提升，所以能达到理想的润湿效果，又因为它熔点低，能够被完全熔化，与基体表面相碰撞后，能够在强大冲击力的驱使下迅速变形、铺展，还能融化大量间接触点[10]，致使孔隙被完全填实。另外，因为基体是生活中比较常见的一种金属材料，而碳化钨则是耐高温的陶瓷材料，在此情况下，添加适量铜粉能够将碳化钨涂层与基体的热膨胀系数的差异降到最小，可显著提高涂层性能。

4 结论

1）等离子喷涂Cu-WC-12Co复合涂层时，随着添加Cu量的增多涂层组织更加致密，但显微硬度降低。

2）铜具有熔点低、表面张力小、液态粘度小等显著优势特性，因此能够在喷涂的过程中能将孔隙完全填充，从而达到合理控制孔隙率的目的。

图4 WC（a）和 Cu（c）(d)颗料的扁平化形态

图5 WC－12Co（a）和20%Cu－Wc-12Co(b)涂层的断口SEM形貌