添加剂铜在等离子喷涂WC-12Co涂层中的作用研究(图文)

论文导读：目前的研究结果表明，改善等离子喷涂WC涂层的性能主要是通过设计制造新型喷枪、调整各种喷涂工艺参数等方式，而对于在热喷涂WC粉末中添加其他粉末对涂层性能的影响的研究目前国内还没有。添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂层的金相组织，下部是基体，中间是涂层，上部有部分镶嵌料。随着添加铜的增加，涂层组织越致密，涂层孔隙率越低，而且涂层中孔隙的尺寸明显减小。
关键词：等离子喷涂，WC-12Co涂层，添加剂铜，孔隙
 

1 引言

热喷涂WC-Co涂层具有较高的硬度和耐磨性，广泛地应用于提高基体金属耐磨性的许多领域。WC-Co涂层既有六方晶体结构的金属钴作为粘结相，又有硬度很高的碳化钨陶瓷颗粒作为硬质相，因而显示出优异的抗粘着磨损性能[1]。等离子喷涂技术由于涂层性能良好、适用范围广、成本低等优点在材料表面工程方面获得了广泛的应用。然而由于等离子喷涂工艺自身的原因，涂层内部会存在孔隙，使涂层综合力学性能下降，易造成涂层失效，因此研究等离子涂层的孔隙是等离子涂层的关键问题之一[2]。另外由于等离子喷涂时的焰流温度高，热量集中，WC受热易发生分解脱碳，尤其在大气环境中。

目前的研究结果表明，改善等离子喷涂WC涂层的性能主要是通过设计制造新型喷枪、调整各种喷涂工艺参数等方式，而对于在热喷涂WC粉末中添加其他粉末对涂层性能的影响的研究目前国内还没有。本文对在WC粉末中添加一定量的铜粉，采用等离子喷涂技术制备的涂层进行了研究，主要对添加铜后的涂层的显微结构进行表征，测试添加铜粉后涂层的显微硬度，探讨添加铜在WC-12Co粉末涂层中的作用机理等。

2 实验材料与方法

等离子喷涂粉末选用两种，陶瓷粉末WC-12Co（其中粘结剂Co的质量百分比为12%），粒度为45µm~75µm，该粉末是烧结破碎粉，呈粗糙的棱角形状，颗粒内部较致密，大量WC颗粒分布在Co粘结剂中，相组成为主相WC和少量的金属Co；添加剂粉末选用电解铜Cu180，粒度为45µm~75µm。喷涂粉末利用上述两种粉末按体积百分数机械混合获得，其中Cu180分别占喷涂粉末总体积的5%、10%、15%、20%（即5%Cu-WC-12Co、10%Cu-WC-12Co、15%Cu-WC-12Co、20%Cu-WC-12Co）。试样基体材料选用45#钢，尺寸为20mm×15mm×4mm，喷涂前对待喷涂表面进行喷砂粗化和清洗处理。

喷涂设备采用大连海事大学自行研制开发的一种低功率（2.5kW~15.0kW）等离子喷涂设备Plasma LE-15，采用表1所示的等离子喷涂工艺参数制备涂层。使用MH-6维氏硬度仪测量涂层截面的显微硬度HV0.3(载荷300gf、压头作用时间5s)，使用OLYMPUS GX51型金相显微镜观察涂层的截

面显微组织形貌，并使用Philips-XL30扫描电镜和Rigaku D/Max-ⅢA型X射线衍射仪（CuKα，λ=1.78897×0.1nm），步长0.02°，扫描速度为8°/min，扫描范围20°~90°，工作电压35kV，工作电流30mA）对涂层的断口形貌和相组成进行分析。

表1 喷涂工艺参数

3 实验结果与讨论

3.1 涂层截面的金相组织和显微硬度

添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂层的金相组织，下部是基体，中间是涂层，上部有部分镶嵌料；涂层中纯黑色、大小不一的孔状物质，是涂层中的气孔；涂层中浅黄色的部分就是铜，有些黑色带有黄色的物质是铜的氧化物氧化铜和氧化亚铜。随着添加铜的增加，涂层组织越致密，涂层孔隙率越低，而且涂层中孔隙的尺寸明显减小。因此添加铜对WC-12Co涂层的孔隙有很大影响，可以极大的改善涂层的致密程度，促进涂层颗粒间的结合更紧密。

添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂层的显微硬度，随着喷涂粉末中铜含量的增多，涂层的硬度降低。涂层是由变形颗粒、孔隙和氧化物所组成，涂层的显微硬度受到孔隙率、粒子间结合程度和硬质相含量及分布的共同影响。由于涂层结构的特殊性，使得孔隙率对硬度的影响较大，一般情况对于同种涂层表现为孔隙率降低时硬度随之增加；Co的熔融程度影响WC粒子间结合的牢固程度，如果没有Co的粘结作用，WC粒子很容易被外力打碎，使涂层表现出较大的脆性和较低的硬度；涂层中硬质相数量越多、分布越均匀、硬质相中WC含量越多，硬质相颗粒间距离越小，则涂层显微硬度越高。由于铜的硬度低，随着铜含量的增加虽然孔隙率明显下降，涂层更加致密，但涂层中硬质相也因铜含量的增多而减少，涂层孔隙率的降低不足以弥补添加铜导致涂层中硬质相的减少对涂层显微硬度的影响，因此随着涂层的显微硬度随着铜含量的增多而降低。

3.2 涂层的相组成

影响WC脱碳分解的主要因素是温度、喷涂颗粒的高温停留时间和颗粒飞行过程中的氧化性环境[3]。通过以下措施可以抑制WC的分解：⑴降低喷涂热源温度；⑵增加喷涂颗粒速度；⑶提供非氧化的环境[4]。添加铜相当于第三种方式即降低喷涂环境的氧化性。

WC-12Co涂层的相组成为WC+W2C+W，其中WC为主相；添加Cu180粉后，涂层的相组成为WC+W2C+Cu2O+CuO，其中WC为主相。论文参考网。随着铜含量的增多，涂层中WC、W2C相的衍射峰强度降低，Cu2O、CuO相的衍射峰强度升高，单质W相消失。

等离子喷涂实验是在敞开的大气环境中进行，根据流体力学原理，高速等离子射流从喷嘴喷出时，会在射流边缘形成一定的负压，抽吸周围的空气并卷入到等离子射流中，与射流中的等离子气发生混合，使等离子射流的气体成分发生变化，成为混有相当多空气的高温氧化性气流[5]。WC-12Co和Cu180的混合粉末在等离子焰中被加热，Nerz等人提出当WC-Co喷涂粉末被加热时发生下面两个反应，并且温度越高，脱碳越严重。

2WC→W2C+C(1)

W2C→2W+C(2)

与此同时也可能发生下面两个反应：一是由于碳势的存在，碳将从液相Co内向外扩散并与在液相和射流气体界面处的氧反应；二是射流中的氧扩散进入熔化粒子的边缘与碳作用生成CO。

 1/2    1 2 下一页 尾页