鈦表面電火花沉積涂層的微觀特征及性能

吳公一，于華，張占領(lǐng)，邱然鋒，張柯柯

鈦表面電火花沉積涂層的微觀特征及性能

吳公一a，b，于華a，b，張占領(lǐng)a，b，邱然鋒a，b，張柯柯a，b

(河南科技大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南洛陽471023)

在TA2基體表面電火花沉積制備WC涂層和CoCr/WC涂層，對比研究兩種涂層的形貌、表面粗糙度、厚度、物相組成、顯微硬度以及相對耐磨性。研究結(jié)果表明:CoCr/WC涂層比WC涂層缺陷少，界面結(jié)合較好。WC涂層和CoCr/WC涂層表面粗糙度分別約為7.887 μm和7.445 μm。WC涂層和CoCr/WC涂層厚度分別約為20 μm和40 μm。WC涂層表面主要由W2C、TiC和W等物相組成，CoCr/WC涂層表面主要由W2C、Co3W3C和W等物相組成。WC涂層表面和CoCr/WC涂層表面顯微硬度值最大分別達(dá)970HV和1 040HV。WC涂層和CoCr/WC涂層的相對耐磨性分別為2.5和3.2。制備WC涂層和CoCr/WC涂層使基體表面性能發(fā)生改變，CoCr/WC涂層的綜合性能優(yōu)于WC涂層。

TA2;WC;CoCr;電火花沉積;復(fù)合涂層;界面行為;性能

0 引言

電火花沉積(ectro-spark deposition，ESD)是一種利用存儲在電容器中的電能在陽極和陰極之間產(chǎn)生火花放電，對工件表面進(jìn)行強化處理的表面改性技術(shù)。該技術(shù)已被成功地用在機械零件表面制備微觀結(jié)構(gòu)良好的抗氧化涂層、耐磨涂層，以及制備耐高溫、耐腐蝕涂層，美國國家航空航天局、美國海軍、德國MTU航空發(fā)動機公司和中航西安航空發(fā)動機有限公司等科研機構(gòu)，都對電火花沉積技術(shù)的應(yīng)用展開了大量研究［1－3］。電火花沉積涂層具有與基材結(jié)合牢固、沉積工藝過程簡單、熱輸入量低和維修方便等獨特的優(yōu)點，一些工件經(jīng)電火花表面強化后壽命得到顯著提升，展示了巨大經(jīng)濟效益和社會效益［4］。

鈦合金的比強度高而密度很小，韌性和抗蝕性能好，在高溫下仍具有較好的力學(xué)性能，因此，被廣泛應(yīng)用于高性能航空發(fā)動機部件、船舶螺旋槳組件和燃料供給系統(tǒng)等領(lǐng)域［5－7］。但是，鈦合金的硬度較低、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐磨損性差、對微動磨損敏感［8］，因此，通過改善其摩擦性能來提高承載能力具有重要的意義。近年來，國內(nèi)外已有許多學(xué)者采用電火花沉積技術(shù)在鈦及其合金表面制備改性層來改善其耐磨性［9－12］，取得了一定的成效。本文在TA2基體表面分別制備了WC涂層和CoCr/WC復(fù)合涂層，并對兩種涂層的微觀特征及性能做了初步對比研究。

1 試驗材料及方法

采用中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院表面工程技術(shù)研究所生產(chǎn)的DZ-4000Ⅲ型電極旋轉(zhuǎn)式電火花沉積/堆焊機，輸入電壓為AC 220 V單相50/60 Hz，輸入功率為4 000 W。電極采用CoCr和WC圓棒狀電極，直徑3 mm，TA2基體尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，試驗前先分別用400#、600#和800#的砂紙打磨基體待沉積表面，然后用乙醇和丙酮清洗。

按表1中電火花沉積工藝規(guī)范進(jìn)行沉積試驗，保護(hù)氣體氬氣(Ar)流量為8 L/min，并在沉積的過程中對10 min、20 min、30 min時的涂層厚度進(jìn)行測量(5次)，取平均值作為該條件下涂層的厚度。沉積結(jié)束后采用JSM-560LV型掃描電鏡觀察涂層表面形貌和截面形貌。采用Nanofacus AG型三維形貌輪廓儀分析計算表面粗糙度。采用X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)儀分析涂層物相組成。用HVS-1000型顯微硬度計分別測試涂層表面、過渡層、基體的顯微硬度，載荷200 g，加載時間15 s，測量3次取平均值。采用MH-600型摩擦磨損試驗機進(jìn)行室溫干摩擦磨損試驗，轉(zhuǎn)速為600 r/min，對磨試樣為6 mm的YG8硬質(zhì)合金球，試驗載荷5 N，時間20 min。利用精確度0.1 mg的AEL-200型電子分析天平稱量試樣的磨損質(zhì)量。

表1 電火花沉積工藝規(guī)范

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 涂層形貌

圖1為WC涂層和CoCr/WC涂層的表面形貌。由圖1a和圖1b可以清晰地看到:WC涂層和CoCr/WC涂層表面局部有凹坑輪廓，凹坑四周呈濺射狀，有許多凝固的小顆粒。這是由于電火花沉積時產(chǎn)生的瞬間高溫使電極和基體材料熔化，發(fā)生冶金反應(yīng)，同時，受到脈沖放電產(chǎn)生的放電力以及電極旋轉(zhuǎn)接觸工件表面產(chǎn)生的機械沖擊力作用，使合金化的熔滴飛濺到周圍表面并遇冷凝固。表面輪廓微觀不平整，凹谷越深，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，當(dāng)受到交變應(yīng)力作用時疲勞損壞的可能性大，同時腐蝕物質(zhì)易附著在表面的微觀凹谷，并滲入到內(nèi)層。圖1a中WC涂層表面有細(xì)小的微裂紋，是由于電火花沉積時放電微區(qū)發(fā)生了劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)，硬脆的沉積層在熱沖擊和機械沖擊的反復(fù)作用下產(chǎn)生微裂紋。凹坑輪廓和表面濺射狀是電火花沉積涂層的典型特征［13］。圖1b中CoCr/WC涂層表面沒有微裂紋，質(zhì)量較好。試驗所得WC涂層的表面粗糙度Sa=7.887 μm，CoCr/WC涂層的表面粗糙度Sa=7.445 μm。

圖1WC涂層和CoCr/WC涂層的表面形貌

圖2 a和圖2b分別為WC涂層和CoCr/WC涂層的斷面形貌。兩種涂層都與基體相互熔合，存在一個很明顯的熔滲擴散區(qū)。這說明在電火花沉積過程中，電極和基體材料都發(fā)生熔化并有熔池形成，但由于熔池很小，對流不充分，并且在1～10 μs迅速凝固，因此界面屬于非均勻混合互熔結(jié)晶型結(jié)合界面［13－15］。WC涂層斷面可以清晰地看到界面處有微小孔洞，且結(jié)合并不是十分連續(xù)，見圖2a。CoCr/WC涂層與基體結(jié)合界面優(yōu)于WC涂層，因為相對于WC，加入的過渡中間層CoCr與基體TA2的匹配度較好。但圖2b中存在自下而上貫穿涂層內(nèi)部的裂紋，這是因為在電火花沉積能量的輸入(電能、機械能)和輸出(熱能)過程中，涂層內(nèi)部始終受到復(fù)雜的多種應(yīng)力的作用，早期形成的微裂紋會作為傳播源由下層向上層傳播，形成垂直向上的裂紋。

圖2 WC涂層和CoCr/WC涂層的斷面形貌

2.2 涂層厚度

圖3為涂層厚度與沉積時間的關(guān)系圖。由圖3可知: 0～15 min時，隨著沉積時間的延長，WC涂層和CoCr/WC涂層厚度均增加。WC電極的強化效率明顯小于CoCr電極，這是由于WC電極硬度高，熔點高。15～30 min時，WC涂層厚度達(dá)到一定值后不再增加甚至略有降低，這是因為隨著沉積時間的增大，WC涂層的化學(xué)成分與電極材料越來越接近，電極材料向基體材料遷移越來越困難，而電極的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械沖擊以及涂層內(nèi)部的熱應(yīng)力會使涂層部分剝落。此外，涂層內(nèi)部存在的氣孔和雜質(zhì)使涂層的電阻增大，電蝕量增加也會影響涂層厚度。試驗所得WC涂層厚度約為20 μm，CoCr/WC涂層厚度約為40 μm。WC涂層厚度較薄，限制了其在更廣領(lǐng)域的應(yīng)用。本文所制備的CoCr/WC復(fù)合涂層厚度約為WC涂層的2倍。

2.3 XRD分析

圖4為WC涂層和CoCr/WC涂層表面的XRD圖。由圖4a可知:WC涂層表面主要由W2C、TiC和W等物相組成。由圖4b可知:CoCr/WC涂層表面主要由TiC、W2C、Co3W3C和W等物相組成。TiC和Co3W3C是由電極材料和基體材料在高溫下發(fā)生物理化學(xué)變化生成的硬質(zhì)相，W2C和W這兩種脆硬相是由WC在高溫下脫碳分解生成的。這些硬質(zhì)相彌散分布在涂層中，提升了涂層的硬度和耐磨性。

圖3 涂層厚度與沉積時間的關(guān)系

圖4 WC涂層和CoCr/WC涂層表面的XRD圖

2.4 顯微硬度及耐磨性

圖5為WC涂層和CoCr/WC涂層的顯微硬度分布曲線。由圖5可知:兩種涂層表面的顯微硬度都較高，CoCr/WC涂層的顯微硬度最高可達(dá)1 040HV，WC涂層的顯微硬度最高可達(dá)970HV。隨著測量點到涂層表面距離的增加，兩種涂層的顯微硬度值都逐漸下降，而CoCr/WC涂層由于加入了中間層，使得顯微硬度下降速度比WC涂層慢。WC涂層顯微硬度為620HV;CoCr/WC涂層顯微硬度為380HV;基體材料顯微硬度為197HV，涂層表面的顯微硬度顯著高于基體。涂層之所以有很高的顯微硬度，主要是由于在電火花沉積過程中產(chǎn)生的瞬間高溫，快速冷卻，相當(dāng)于進(jìn)行了淬火處理使表層組織得到了細(xì)化，又引入了較高的殘余應(yīng)力，同時由于涂層中彌散分布著高硬度的碳化物所致［1］。

圖6為WC涂層、CoCr/WC涂層和TA2基體在室溫下的摩擦因數(shù)。由圖6可知:隨磨損時間的增加，涂層與基體材料的摩擦因數(shù)都逐漸增加，但基體的摩擦因數(shù)變化較大，磨損開始時基體摩擦因數(shù)就迅速升高。這主要是由于TA2基體硬度遠(yuǎn)低于YG8合金硬度，發(fā)生高速磨損，且隨著磨損的進(jìn)行，磨損接觸面逐漸增大，粗糙度增大，溫度快速升高，磨損情況復(fù)雜。TA2基體平均摩擦因數(shù)(約為0.672)顯著大于涂層平均摩擦因數(shù)(WC涂層約為0.382，CoCr/WC涂層約為0.364)。

圖5 WC涂層和CoCr/WC涂層的顯微硬度分布曲線

圖6 WC涂層、CoCr/WC涂層和TA2基體室溫下的摩擦因數(shù)

TA2基體、WC涂層和CoCr/WC涂層在20 min內(nèi)的磨損量分別為0.006 8 g、0.002 7 g和0.002 1 g，WC涂層和CoCr/WC涂層磨損量相差不多，明顯小于TA2基體的磨損量。沉積層的相對耐磨性公式為:εw=△w標(biāo)/△w，其中，△w標(biāo)為基體材料試樣磨損量，△w為沉積層磨損量。WC涂層和CoCr/WC涂層的相對耐磨性εw分別是2.5和3.2，說明CoCr/WC涂層的耐磨性略好于WC涂層。

3 結(jié)論

(1)CoCr/WC涂層缺陷較WC涂層少，表面粗糙度小，且制備的CoCr/WC涂層厚度約為WC涂層的2倍。

(2)WC涂層表面主要由W2C、TiC和W等物相組成，CoCr/WC涂層表面主要由W2C、Co3W3C和W等物相組成。

(3)制備的CoCr/WC涂層和WC涂層顯微硬度、耐磨性都明顯優(yōu)于TA2基體，且CoCr/WC涂層耐磨性略好于WC涂層。

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TG455

A

1672－6871(2017)05－0011－05

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.003

國家自然科學(xué)基金項目(U1294520);河南省杰出青年科學(xué)基金項目(074100510011)

吳公一(1991－)，男，河南南陽人，碩士生;于華(1972－)，女，通信作者，河南商丘人，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)材料連接及材料表面改性研究.

2016－12－19