hvof喷涂wc-co涂层微观结构对其

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1、热喷涂信息2008年第1期国外研究HVOF喷涂WC-Co涂层的微观结构对其力学性能的影响P.Chivavibul,M.Watanabe,S.Kuroda（国家材料科学研究所，日本）摘要：采用超音速（HVOF）在碳钢基体上喷涂12种商业上常用的WC-Co粉末，其中碳化物粉末平均粒度为0.2µm，2µm和6µm，钴含量为8，12，17和25wt.%，涂层性能显示涂层中的平均碳化物尺寸及碳化物体积含量比原料粉末中的低。利用压痕技术分析了涂层的硬度和断裂强度，通过超声波技术测定了杨氏模量，硬度和杨氏模量随钴含量的增加而降低，而断裂强度却略有增加，碳化物尺寸对硬度的影响不大。通过扫描电镜对微观结构

2、的观察、X射线衍射以及化学分析对这些行为进行了讨论，利用改进的HVOF喷涂工艺能够降低粉末的分解，提高涂层断裂强度。EffectofMicrostructureofHVOF-SprayedWC-CoCoatingsontheirMechanicalPropertiesP.Chivavibul,M.Watanabe,S.Kuroda（NationalInstituteforMaterialsScience,Tsukuba,Ibaraki,Japan）1前言WC-Co金属陶瓷涂层能够提高各种机械零部件的耐磨性，目前已广泛应用于各种工业领域。许多热喷涂技术，如空气等离子喷涂（APS），超音速（

3、HVOF）喷涂，可用于沉积WC-Co涂层，然而，涂层的性能主要取决于喷涂技术。相对于其它技术，HVOF喷涂是沉积传统WC-Co金属陶瓷涂层的最好方法之一。因为粉末在高速及低温的喷涂过程中，WC不容易分解。因此，制备的涂层保留大量的WC，并且孔隙率低。不过，相对于烧结气氛能很好控制的烧结WC-Co，HVOF喷涂制备的WC-Co涂层在喷涂过程中容易分解和脱碳，导致形成一系列不希望的杂相，如W2C，W，无定形或纳米晶Co-W-C相。9热喷涂信息2008年第1期众所周知，WC-Co涂层的微观结构影响其力学性能。许多研究讨论了原料粉及工艺条件对WC-Co涂层性能的影响，结果表明原料粉末的物理和化学

4、性质、喷涂工艺条件极大地影响其力学性能。目前研究的热点是降低碳化物的尺寸至纳米级，因为相比较传统尺寸材料，纳米结构WC-Co烧结材料能提高滑动磨损性能，硬度也能大幅度提高。然而，纳米结构WC-Co涂层有较高的硬度，但耐磨性却比传统涂层低。HVOF喷涂纳米结构涂层带来的性能不足归咎于较高的脱碳影响，因为纳米尺寸的WC的比表面积比传统材料的比表面积要大，因此有必要优化喷涂参数来提高力学性能。但目前还没有具体结论。虽然碳化物的粒度对涂层的影响已经作了大量研究，但Co含量对WC-Co涂层性能的影响仍不清楚。Dent等人研究了Co含量对纳米结构涂层磨损性能的影响，发现随着Co含量的降低涂层耐磨性增

5、加，而硬度几乎不变。然而Co含量对微观结构的影响并未作具体讨论。在本研究中，将系统地研究碳化物尺寸及Co含量对HVOF喷涂WC-Co涂层的微观结构及力学性能的影响。此外，关于用改进的HVOF工艺获得了一些成果也有报道。2实验2.1原材料和HVOF工艺本实验中，可选用12种常用的不同碳化物尺寸和Co含量的WC-Co粉末，碳化物尺寸分别为0.2µm，2µm，6µm，Co的质量含量分别为8%，12%，17%，25%。粉末的粒度范围为15～45µm。采用HVOF喷涂设备（JP5000，PraxairTechnologyInc.，USA）在碳钢（0.45%C）基体上喷涂粉末，工艺参数如表1所示。涂

6、层的厚度约为300µm，同时制备厚度为1000µm的涂层用于弹性模量测量。采用气体保护罩和表1所示的相同的喷涂工艺参数喷涂0.2WC-12Co和2WC-12Co涂层，氮气流速为1500L/min。喷涂设备的详细情况参见Ishikawa等人的文章。表1WC-Co涂层的HVOF喷涂参数2.2涂层特性采用X射线衍射（XRD，Cu，Kα，40kV，300mA）对粉末和预制备涂层进行分析，对试样截面进行冷镶树脂及研磨抛光处理至1µm，通过扫描电镜（SEM）进行截面观察，后采用图片分析软件对涂层中碳化物的分布、孔隙率、粘接相的平均分布等进行分析。9热喷涂信息2008年第1期微观硬度测试采用300g负

7、载、加载15s，每一个试样至少打10个点，采用压痕法（10Kg载荷，加载15s）测定涂层的断裂强度，利用光学显微镜观察裂纹长度和Vickers对角线。在假设压痕产生的裂纹均是径向裂纹，则断裂强度KIC可通过以下的Palmqvist几何公式进行计算：式中，Hv是维氏硬度，E是杨氏模量，D是维氏压痕的半对角线，a是压痕断裂长度。每个试样至少打了五个点，采用超声波技术测量涂层的杨氏模量。3结果及讨论3.1涂层微观结构图1所示为涂层的BSE