基于正交試驗(yàn)的超音速火焰噴涂WC-12Co涂層抗沖蝕性能研究

郭華鋒，朱聰聰，趙恩蘭，，李龍海，于萍，劉磊,楊海峰

(1. 徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃煤電廠鍋爐管道等金屬零部件的表面經(jīng)常受到氣/固兩相流中硬質(zhì)顆粒的撞擊而發(fā)生沖蝕磨損，導(dǎo)致零件損傷破壞，加速設(shè)備失效[1-2].設(shè)計(jì)和制備抗沖蝕磨損涂層進(jìn)行零件表面防護(hù)是解決該問(wèn)題的主要有效途徑[3-4].WC/Co系列金屬陶瓷涂層是通過(guò)黏結(jié)相Co將高硬度的WC顆粒緊密包裹在一起，從而具有良好的耐磨性能，在金屬零部件的表面防護(hù)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用[5].與等離子噴涂工藝相比，超音速火焰噴涂(high-velocity oxygen-fuel，HVOF)的焰流具備低溫、高速優(yōu)勢(shì)，可有效抑制WC顆粒的分解，粉末高速撞擊后形成組織致密的硬質(zhì)顆粒彌散強(qiáng)化型耐磨涂層，特別適合制備WC/Co系列涂層[6-7].當(dāng)前利用HVOF技術(shù)制備的WC/Co涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨粒磨損特性，但在沖蝕磨損工況下，涂層損傷受控于材料因素、沖蝕粒子特性、沖蝕環(huán)境等，所表現(xiàn)出的損傷形式和機(jī)理較為復(fù)雜.因此，有必要深入研究WC/Co涂層抗沖蝕性能和沖蝕磨損機(jī)制，進(jìn)一步挖掘涂層應(yīng)用潛力.

諸多學(xué)者對(duì)TiN[8]、AlCrN[9]、SiC[10]和Al2O3[11]等涂層的抗沖蝕性能進(jìn)行了較為深入的研究，發(fā)現(xiàn)塑性材料和脆性材料由于性質(zhì)不同在磨粒沖蝕下表現(xiàn)出不同的損傷形式，兩者沖蝕磨損機(jī)理也截然不同[12].研究表明材料顯微組織細(xì)化可以有效減輕沖蝕損傷[13]，溫度升高可改變材料韌塑性，導(dǎo)致抗沖蝕性能增強(qiáng)[14].沖蝕磨粒的粒度、硬度和形狀均會(huì)影響靶材的沖蝕損傷程度.但更多學(xué)者更關(guān)注沖蝕工藝參數(shù)對(duì)涂層沖蝕性能的影響，如沖蝕角度增加通常導(dǎo)致脆性涂層沖蝕率升高[15-17]，涂層在承受低角度和高角度沖蝕時(shí)表面損傷的形式和程度不同，說(shuō)明沖蝕角度的改變會(huì)導(dǎo)致沖蝕機(jī)理改變.另一方面，材料性質(zhì)不同導(dǎo)致出現(xiàn)最大沖蝕率時(shí)的沖蝕角度差異很大，因此沖蝕角度對(duì)沖蝕率的影響成為大多數(shù)學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題.相比沖蝕角度而言，關(guān)于沖蝕距離和沖砂量對(duì)涂層抗沖蝕性能的研究相對(duì)較少.當(dāng)前，對(duì)WC-12Co涂層的研究主要集中在耐磨性[18]、抗腐蝕性[19]等方面，對(duì)其在固體顆粒作用下抗沖蝕性能的研究尚不夠深入，尤其是綜合研究沖蝕工藝參數(shù)對(duì)沖蝕性能的影響規(guī)律，并且從沖蝕表面和截面全面分析沖蝕機(jī)理的研究更是鮮有報(bào)道.

基于此，采用正交試驗(yàn)法綜合研究沖蝕距離、沖蝕角度和沖砂量因素對(duì)HVOF噴涂WC-12Co涂層沖蝕率的影響規(guī)律.采用SEM、EDS等手段分析不同沖蝕角度下涂層表面及截面的微觀形貌和元素組成，深入揭示涂層抗沖蝕機(jī)理，旨在為WC-12Co涂層抗沖蝕設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù).

1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與性能表征

噴涂粉末采用微米級(jí)WC-12Co粉末，粒徑為15～45 μm，微觀形貌如圖1所示.由圖1可看出，粉末球形度較好、表面疏松多孔，有利于充分受熱熔融，在撞擊時(shí)充分變形.WC顆粒呈明顯多角狀，高速撞擊時(shí)易于嵌入基體或基相，增強(qiáng)涂層和基體間的結(jié)合強(qiáng)度以及涂層內(nèi)聚力.基體為5 mm厚Ti6Al4V鈦合金板，線切割成50 mm×50 mm.噴涂工藝流程如下：超聲清洗試樣—棕剛玉噴砂粗化表面—潔凈壓縮氣體凈化表面—噴槍預(yù)熱—噴涂涂層.采用立佳HV-80-JP型超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層，主要工藝參數(shù)：噴涂距離380 mm，煤油流量34.5 L/h，氧氣流量37 m3/h，送粉速率75 g/min.沖蝕磨粒選用鄭州越馳磨料磨具有限公司生產(chǎn)的60目白剛玉，硬度為2 000～2 200 kg/mm2，微觀形貌和能譜分別見(jiàn)圖2和圖3，圖中I為衍射峰強(qiáng)度.可以看出，磨粒呈不規(guī)則角狀，存在大量銳邊和尖角.實(shí)測(cè)化學(xué)成分主要為Al和O元素，存在極少量Si元素.

圖1 WC-12Co粉末微觀形貌

圖2 沖蝕磨粒微觀形貌

圖3 沖蝕磨粒能譜

采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Quanta FEG250型掃描電鏡觀察粉末、磨粒以及涂層沖蝕前后表面和截面的微觀形貌.采用EDAX EDS Element系統(tǒng)分析粉末、磨粒和涂層成分.通過(guò)自制的常溫沖蝕試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展沖蝕試驗(yàn)，壓強(qiáng)為0.6～0.8 MPa.

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀結(jié)構(gòu)分析

圖4為WC-12Co涂層截面微觀形貌和能譜分析.由圖4a可以看出，涂層組織較為均勻，存在少量孔隙，主要由WC顆粒和黏結(jié)相Co構(gòu)成.WC顆粒大小不一，緊密排列在Co相上且無(wú)明顯偏聚.粉末經(jīng)高速焰流加熱后，多角狀WC顆粒以較大的動(dòng)能撞擊并嵌入基體，與基體相互咬合和互鎖，改善了兩者結(jié)合狀態(tài).結(jié)合面處面能譜分析(圖4b)結(jié)果顯示，涂層/基體分界線清晰，涂層中元素W，Co并未向基體擴(kuò)散，而基體中Ti，V等主要元素也未向涂層中擴(kuò)散，因此涂層和基體間主要以牢固的機(jī)械結(jié)合為主.

圖4 WC-12Co涂層截面微觀形貌及能譜

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

極差R可直觀反映試驗(yàn)因素對(duì)沖蝕率的影響，R越大則影響越大，反之則影響越小.表2為正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析，可以看出，沖蝕距離的極差值最大、沖蝕角度次之、沖砂量最小，即沖蝕距離對(duì)沖蝕率的影響最顯著、沖蝕角度次之、沖砂量最小.

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

圖5為沖蝕率隨因素水平變化趨勢(shì).可以看出，沖蝕率隨沖蝕距離的增大而減小，兩者呈負(fù)相關(guān).分析認(rèn)為沖蝕距離越大，磨粒飛行時(shí)間越長(zhǎng)，速度衰減導(dǎo)致動(dòng)能損失較大，撞擊靶材時(shí)侵蝕力變小，去除材料能力變?nèi)?；此外，沖蝕距離的加大導(dǎo)致磨料流發(fā)散角增大，同質(zhì)量磨料下撞擊靶材的磨粒數(shù)目減少，兩者共同導(dǎo)致涂層沖蝕率急劇減小，這意味著沖蝕距離的影響占據(jù)主導(dǎo).沖蝕率隨沖蝕角度的增大而增大，兩者呈正相關(guān)，這與FENG等[15]、 CHEN等[16]、ANAND等[17]的研究結(jié)果一致.沖蝕角度由小到大使涂層沖蝕機(jī)理發(fā)生改變進(jìn)而導(dǎo)致沖蝕率增大是當(dāng)前的研究共識(shí).但涂層材料不同，損傷形式和程度不同，因此需對(duì)沖蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究.沖砂量對(duì)于沖蝕率的影響表現(xiàn)為先減小后輕微增大.分析認(rèn)為：沖蝕初期，沖砂量較少時(shí)磨粒對(duì)Co相進(jìn)行犁削和擠壓，形成較大片狀且易于剝落的擠壓唇，同時(shí)使WC顆粒裸露、松動(dòng)并脫落，形成凹坑，導(dǎo)致沖蝕率迅速出現(xiàn)峰值.隨著沖砂量的增加，沖蝕表面被反復(fù)撞擊，沖蝕過(guò)程趨于穩(wěn)定，唇片尺寸變小且較難脫落.此外沖砂量的增多增加了磨粒在飛行過(guò)程中發(fā)生碰撞的概率，導(dǎo)致速度衰減，降低了沖蝕損傷程度.加之上階段嵌入涂層表面的少量磨料也參與抵御后續(xù)粒子撞擊保護(hù)涂層，多因素共同導(dǎo)致沖蝕率有所降低.當(dāng)沖砂量進(jìn)一步增加，撞擊持續(xù)進(jìn)行，小唇片也開(kāi)始疲勞脫落，少量WC顆粒也進(jìn)入新的脫落循環(huán)周期，沖蝕率有所增加，但總體趨勢(shì)明顯變緩.

圖5 沖蝕率隨因素水平變化趨勢(shì)

方差分析統(tǒng)計(jì)量F大小亦可判斷各因素對(duì)沖蝕率影響的顯著性，正交試驗(yàn)的顯著性水平取0.05，沖蝕率分析結(jié)果見(jiàn)表3，表中，ε為誤差.可以看出，沖蝕距離F值最大、沖蝕角度次之、沖砂量最小，即沖蝕距離對(duì)沖蝕率E的影響最大、沖蝕角度次之、沖砂量的影響不顯著，方差分析與極差分析結(jié)果一致.

表3 沖蝕率方差分析

現(xiàn)有工藝參數(shù)下涂層沖蝕率最小的工況為沖蝕距離150 mm、沖蝕角度30°、沖砂量400 g；沖蝕率最大的工況為沖蝕距離90 mm、沖蝕角度90°、沖砂量200 g.

綜合上述分析，沖蝕距離對(duì)沖蝕率的影響占據(jù)主導(dǎo)，但沖蝕機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單，而沖砂量對(duì)沖蝕率的影響幾乎可忽略.沖蝕角度對(duì)沖蝕機(jī)理的影響雖不是最為顯著但卻相對(duì)復(fù)雜，因此有必要深入研究沖蝕角度對(duì)涂層沖蝕機(jī)理的影響.

2.3 涂層沖蝕機(jī)理分析

圖6為30°攻角下WC-12Co涂層沖蝕表面形貌.由圖6a可看出，涂層表面分布著大量具有明顯方向性和流動(dòng)特征的切削痕跡、犁削溝槽和擠壓唇.由于磨粒硬度遠(yuǎn)大于涂層，30°沖蝕時(shí)涂層主要受磨粒銳邊的切削作用而去除材料，或受磨粒尖角犁削作用導(dǎo)致基相發(fā)生塑性變形，形成犁溝，犁溝前方和兩側(cè)隆起形成擠壓唇，擠壓唇在后續(xù)粒子的反復(fù)撞擊下被去除，符合塑性材料微切削理論[20].由圖6b可看出，在磨粒垂直分量的錘擊作用下，涂層局部表面萌生了長(zhǎng)度較短的主裂紋，后續(xù)磨粒的持續(xù)撞擊會(huì)導(dǎo)致主裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展成“人字形”分枝裂紋，裂紋交匯后將材料分割成碎片，進(jìn)而剝落.由圖6c可看出，碎片剝落后涂層表面存在明顯的斷裂面，斷口光亮、鋒利，表現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征.

圖6 30°攻角下WC-12Co涂層沖蝕表面形貌

圖7為30°攻角下WC-12Co涂層沖蝕截面形貌.由圖7a可看出，犁溝長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于深度，形成的犁溝方向與沖蝕方向基本一致.涂層僅表層發(fā)生破壞，沖蝕損傷較小，沖蝕率較低，抗低角度沖蝕性能較好.圖7b表明，30°沖蝕過(guò)程中涂層容易從應(yīng)力相對(duì)集中的孔隙處萌生裂紋，裂紋沿WC和Co結(jié)合面向最小阻力方向擴(kuò)展，大量裂紋貫通后材料被去除，形成清晰、曲折的斷口以及較長(zhǎng)的切痕和犁溝.由圖7c可看出，材料去除導(dǎo)致WC顆粒裸露在外并失去Co相支撐作用，WC顆粒間內(nèi)聚力減小，在后續(xù)磨粒撞擊下發(fā)生松動(dòng)，進(jìn)而脫落后形成剝落孔洞.

圖7 30°攻角下WC-12Co涂層沖蝕截面形貌

因此，WC-12Co涂層30°沖蝕時(shí)沖蝕機(jī)理主要表現(xiàn)為微觀切削和犁削損傷，并伴有局部的脆性斷裂和剝落，具有較強(qiáng)的抗低角度沖蝕性能.

圖8為90°攻角下WC-12Co涂層沖蝕表面形貌.可以看出，與30°沖蝕表面相比，大量磨粒的垂直撞擊使涂層表面產(chǎn)生長(zhǎng)寬方向尺寸相差不大的深凹坑(圖8a)，并且擠壓唇數(shù)量顯著增多、相互交疊，表面凹凸不平度明顯增加.

圖8 90°攻角下WC-12Co涂層沖蝕表面形貌

如圖8b所示，由鍛造擠壓理論[20]可知，涂層經(jīng)過(guò)反復(fù)錘擊和鍛打后，被擠壓成薄片狀，進(jìn)而發(fā)生疲勞脫落，產(chǎn)生大面積的片狀分層和剝落臺(tái)階.磨粒產(chǎn)生的正壓力使材料萌生主裂紋，在后續(xù)磨粒持續(xù)作用下裂紋向阻力最小方向擴(kuò)展(圖8c)，在主裂紋一側(cè)萌生次裂紋.同時(shí)主裂紋的擴(kuò)展阻止了次裂紋向另一側(cè)擴(kuò)展，最終形成了“T狀”裂紋.而且裂紋貫穿長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于30°沖蝕下的裂紋(圖6b)，大量裂紋交匯使涂層呈片狀脆斷(圖8c)，導(dǎo)致大面積剝落，其損傷程度遠(yuǎn)大于30°沖蝕時(shí).

由上述分析可知，90°沖蝕時(shí)WC-12Co涂層的沖蝕機(jī)理主要表現(xiàn)為錘擊效應(yīng)引起的脆性斷裂和片狀疲勞剝落.相對(duì)于低角度沖蝕，涂層沖蝕機(jī)理發(fā)生改變，沖蝕損傷較大，說(shuō)明WC-12Co涂層抗高角度沖蝕性能較差.

圖9為90°攻角下WC-12Co涂層沖蝕截面形貌.由變形磨損理論可知，隨著沖蝕角度增大，切削作用減小，錘擊作用增大，當(dāng)沖蝕角為90°時(shí)，材料只受正向錘擊作用.由圖9a可看出，單個(gè)沖蝕凹坑深度較犁溝深度(圖7a)明顯增加、長(zhǎng)度減小，沖蝕表面大量凹坑緊密排布.凹坑內(nèi)有大量的WC顆粒裸露出來(lái)(圖9b)，在后續(xù)磨粒正向錘擊作用下，將發(fā)生松動(dòng)或剝落.同時(shí)反復(fù)錘擊產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力促使疲勞裂紋產(chǎn)生并快速向涂層次表層傳導(dǎo)，裂紋優(yōu)先沿著弱結(jié)合面處發(fā)生“沿晶斷裂”或“穿晶斷裂”(圖9c)，進(jìn)而交匯相連導(dǎo)致剝落.

圖9 90°攻角下WC-12Co涂層沖蝕截面形貌

圖10為30°和90°攻角下WC-12Co涂層沖蝕表面能譜分析.由圖10可以看出，2種攻角下涂層沖蝕損傷區(qū)域中W，Co元素含量明顯減少，沖蝕表面出現(xiàn)了一定量的Al，O元素，說(shuō)明涂層材料被去除的同時(shí)有磨料嵌入，并且30°攻角下(圖10a)涂層表面Al，O元素分布明顯多于90°攻角時(shí)(圖10b).這是由于低攻角時(shí)，磨料在涂層表面進(jìn)行刻劃、擠壓并產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，當(dāng)撞擊到硬質(zhì)相時(shí)，磨料的尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而發(fā)生脆性斷裂，但低攻角侵入時(shí)，磨粒反彈能力較差，因此更容易嵌入涂層表面.當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)，垂直撞擊導(dǎo)致磨粒自身脆斷成小尺寸顆粒的傾向更大，而且所受的反作用力增加，反彈較多，因此其表面磨粒嵌入相對(duì)較少.

圖10 30°和90°攻角下WC-12Co涂層沖蝕表面能譜分析

為了對(duì)沖蝕截面處化學(xué)元素的分布情況進(jìn)行深入了解，對(duì)沖蝕截面進(jìn)行了EDS表征，結(jié)果如圖11所示.由圖11沖蝕截面(30°攻角)EDS看出，涂層沖蝕表層犁溝內(nèi)的磨粒元素(Al，O)含量遠(yuǎn)大于涂層內(nèi)部，表明低攻角下較小的錘擊力使破碎的磨粒嵌入深度較淺.由圖12可明顯看出，白色顆粒尺寸遠(yuǎn)大于WC顆粒，但遠(yuǎn)小于原始磨粒平均尺寸(250 μm)，因此該顆粒應(yīng)為磨粒的碎片.結(jié)合圖10涂層沖蝕表面能譜分析，可斷定在30°和90°沖蝕角度下，磨粒均發(fā)生了破碎并嵌入材料表面.

圖11 30°攻角時(shí)涂層截面能譜

圖12 90°攻角時(shí)涂層截面磨粒嵌入

3 結(jié) 論

1) 采用HVOF技術(shù)制備了WC-12Co涂層，涂層組織較為均勻，僅有少量孔隙，涂層和基體間形成了較為牢固的“互鎖”界面，結(jié)合方式以機(jī)械結(jié)合為主.

2) 沖蝕距離對(duì)WC-12Co涂層沖蝕率的影響最為顯著、沖蝕角度次之、沖砂量最小.沖蝕率隨沖蝕距離的增大而減小，隨沖蝕角度的增大而增大.在沖蝕角度為30°時(shí)涂層沖蝕率最小，90°時(shí)沖蝕率最大，涂層抗低角度沖蝕性能較強(qiáng)、抗高角度沖蝕性能較弱.

3) 30°和90°沖蝕下的涂層表面和截面形貌均存在明顯差異，且30°沖蝕時(shí)涂層沖蝕深度遠(yuǎn)小于90°時(shí).30°沖蝕時(shí)，WC-12Co涂層沖蝕機(jī)理主要表現(xiàn)為微觀切削和犁削損傷，并伴有局部的脆斷和剝落.90°沖蝕時(shí)，其沖蝕機(jī)理主要表現(xiàn)為正向錘擊作用引起的脆性斷裂和片狀疲勞剝落.