添加劑銅在等離子噴涂WC

1、添加劑銅在等離子噴涂WC論文導(dǎo)讀：目前的研究結(jié)果說明，改善等離子噴涂WC涂層的性能主要是通過設(shè)計(jì)制造新型噴槍、調(diào)整各種噴涂工藝參數(shù)等方式，而對(duì)于在熱噴涂WC粉末中添加其他粉末對(duì)涂層性能的影響的研究目前國內(nèi)還沒有。添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂層的金相組織，下部是基體，中間是涂層，上部有局部鑲嵌料。隨著添加銅的增加，涂層組織越致密，涂層孔隙率越低，而且涂層中孔隙的尺寸明顯減小。關(guān)鍵詞：等離子噴涂，WC-12Co涂層，添加劑銅，孔隙1 引言熱噴涂WC-Co涂層具有較高的硬度和耐磨性，廣泛地應(yīng)用于提高基體金屬耐磨性的許多領(lǐng)域。WC-Co涂層既有六方晶體結(jié)構(gòu)的金屬鈷作為粘結(jié)相，又有硬度很

2、高的碳化鎢陶瓷顆粒作為硬質(zhì)相，因而顯示出優(yōu)異的抗粘著磨損性能【1】。等離子噴涂技術(shù)由于涂層性能良好、適用范圍廣、本錢低等優(yōu)點(diǎn)在材料外表工程方面獲得了廣泛的應(yīng)用。然而由于等離子噴涂工藝自身的原因，涂層內(nèi)部會(huì)存在孔隙，使涂層綜合力學(xué)性能下降，易造成涂層失效，因此研究等離子涂層的孔隙是等離子涂層的關(guān)鍵問題之一【2】。另外由于等離子噴涂時(shí)的焰流溫度高，熱量集中，WC受熱易發(fā)生分解脫碳，尤其在大氣環(huán)境中。目前的研究結(jié)果說明，改善等離子噴涂WC涂層的性能主要是通過設(shè)計(jì)制造新型噴槍、調(diào)整各種噴涂工藝參數(shù)等方式，而對(duì)于在熱噴涂WC粉末中添加其他粉末對(duì)涂層性能的影響的研究目前國內(nèi)還沒有。本文對(duì)在WC粉末中添加一

3、定量的銅粉，采用等離子噴涂技術(shù)制備的涂層進(jìn)行了研究，主要對(duì)添加銅后的涂層的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，測(cè)試添加銅粉后涂層的顯微硬度，探討添加銅在WC-12Co粉末涂層中的作用機(jī)理等。2 實(shí)驗(yàn)材料與方法等離子噴涂粉末選用兩種，陶瓷粉末WC-12Co其中粘結(jié)劑Co的質(zhì)量百分比為12%，粒度為45m75m，該粉末是燒結(jié)破碎粉，呈粗糙的棱角形狀，顆粒內(nèi)部較致密，大量WC顆粒分布在Co粘結(jié)劑中，相組成為主相WC和少量的金屬Co；添加劑粉末選用電解銅Cu180，粒度為45m75m。噴涂粉末利用上述兩種粉末按體積百分?jǐn)?shù)機(jī)械混合獲得，其中Cu180分別占噴涂粉末總體積的5%、10%、15%、20%即5%Cu-WC-12

4、Co、10%Cu-WC-12Co、15%Cu-WC-12Co、20%Cu-WC-12Co。試樣基體材料選用45#鋼，尺寸為20mmx15mmx4mm，噴涂前對(duì)待噴涂外表進(jìn)行噴砂粗化和清洗處理。噴涂設(shè)備采用大連海事大學(xué)自行研制開發(fā)的一種低功率2.5kW15.0kW等離子噴涂設(shè)備Plasma LE-15，采用表1所示的等離子噴涂工藝參數(shù)制備涂層。使用MH-6維氏硬度儀測(cè)量涂層截面的顯微硬度HV0.3(載荷300gf、壓頭作用時(shí)間5s)，使用OLYMPUS GX51型金相顯微鏡觀察涂層的截表1 噴涂工藝參數(shù) 主氣 Ar流量 (L/min) 次級(jí)氣 H2流量 (L/min) 送粉氣 N2流量 (L/m

5、in) 電流 (A) 電壓 (V) 功率 (kW) 送粉量 (g/min) 噴涂 距離 (mm) 27.5 5.0 12.6 175 48 8.4 30 70 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 涂層截面的金相組織和顯微硬度添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂層的金相組織，下部是基體，中間是涂層，上部有局部鑲嵌料；涂層中純黑色、大小不一的孔狀物質(zhì)，是涂層中的氣孔；涂層中淺黃色的局部就是銅，有些黑色帶有黃色的物質(zhì)是銅的氧化物氧化銅和氧化亞銅。隨著添加銅的增加，涂層組織越致密，涂層孔隙率越低，而且涂層中孔隙的尺寸明顯減小。因此添加銅對(duì)WC-12Co涂層的孔隙有很大影響，可以極大的改善涂層的致密程度，

6、促進(jìn)涂層顆粒間的結(jié)合更緊密。添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂層的顯微硬度，隨著噴涂粉末中銅含量的增多，涂層的硬度降低。涂層是由變形顆粒、孔隙和氧化物所組成，涂層的顯微硬度受到孔隙率、粒子間結(jié)合程度和硬質(zhì)相含量及分布的共同影響。由于涂層結(jié)構(gòu)的特殊性，使得孔隙率對(duì)硬度的影響較大，一般情況對(duì)于同種涂層表現(xiàn)為孔隙率降低時(shí)硬度隨之增加；Co的熔融程度影響WC粒子間結(jié)合的牢固程度，如果沒有Co的粘結(jié)作用，WC粒子很容易被外力打碎，使涂層表現(xiàn)出較大的脆性和較低的硬度；涂層中硬質(zhì)相數(shù)量越多、分布越均勻、硬質(zhì)相中WC含量越多，硬質(zhì)相顆粒間距離越小，那么涂層顯微硬度越高。由于銅的硬度低，隨著銅含量的增

7、加雖然孔隙率明顯下降，涂層更加致密，但涂層中硬質(zhì)相也因銅含量的增多而減少，涂層孔隙率的降低缺乏以彌補(bǔ)添加銅導(dǎo)致涂層中硬質(zhì)相的減少對(duì)涂層顯微硬度的影響，因此隨著涂層的顯微硬度隨著銅含量的增多而降低。3.2 涂層的相組成影響WC脫碳分解的主要因素是溫度、噴涂顆粒的高溫停留時(shí)間和顆粒飛行過程中的氧化性環(huán)境【3】。通過以下措施可以抑制WC的分解：降低噴涂熱源溫度；增加噴涂顆粒速度；提供非氧化的環(huán)境【4】。添加銅相當(dāng)于第三種方式即降低噴涂環(huán)境的氧化性。WC-12Co涂層的相組成為WC+W2C+W，其中WC為主相；添加Cu180粉后，涂層的相組成為WC+W2C+Cu2O+CuO，其中WC為主相。論文參考網(wǎng)

8、。隨著銅含量的增多，涂層中WC、W2C相的衍射峰強(qiáng)度降低，Cu2O、CuO相的衍射峰強(qiáng)度升高，單質(zhì)W相消失。等離子噴涂實(shí)驗(yàn)是在敞開的大氣環(huán)境中進(jìn)行，根據(jù)流體力學(xué)原理，高速等離子射流從噴嘴噴出時(shí)，會(huì)在射流邊緣形成一定的負(fù)壓，抽吸周圍的空氣并卷入到等離子射流中，與射流中的等離子氣發(fā)生混合，使等離子射流的氣體成分發(fā)生變化，成為混有相當(dāng)多空氣的高溫氧化性氣流【5】。WC-12Co和Cu180的混合粉末在等離子焰中被加熱，Nerz等人提出當(dāng)WC-Co噴涂粉末被加熱時(shí)發(fā)生下面兩個(gè)反響，并且溫度越高，脫碳越嚴(yán)重。2WCW2C+C(1)W2C2W+C(2)與此同時(shí)也可能發(fā)生下面兩個(gè)反響：一是由于碳勢(shì)的存在，碳

9、將從液相Co內(nèi)向外擴(kuò)散并與在液相和射流氣體界面處的氧反響；二是射流中的氧擴(kuò)散進(jìn)入熔化粒子的邊緣與碳作用生成CO。但由于噴涂粉末中還有銅粉，而且銅的熔點(diǎn)低為1083，與Co相近，在等離子焰流中隨著溫度的升高很短的時(shí)間就開始熔化。由于工作氣體中卷入的氧氣，同時(shí)還伴隨有氧化反響，銅的氧化反響過程是CuCu2OCuO，在熱力學(xué)上是逐級(jí)反響，但不能顯示出逐級(jí)反響的動(dòng)力學(xué)過程，這是由于兩個(gè)反響混合在一起進(jìn)行所造成的【6】。論文參考網(wǎng)。4Cu+O22Cu2O(3)2Cu2O+O24CuO(4)在WC-Co粉末中添加了Cu180，Cu180在噴涂過程中與等離子焰流中的氧反響，致使與WC熔滴外殼上的碳反響的氧較

10、少，相對(duì)于單獨(dú)噴涂WC-Co粉末彌散于熔滴外殼的碳含量增多，而化學(xué)反響均是可逆的，導(dǎo)致WC脫碳反響中W2C向W的反響受阻，減少涂層中W的含量；同時(shí)由于W2C分解的受阻，熔滴外殼W2C的含量增多，又進(jìn)一步抑制了WC的分解。3.3 添加劑銅的作用機(jī)理討論涂層形成是一個(gè)頗為復(fù)雜的、帶相變的流動(dòng)與傳熱過程【7】。由于外表張力的作用，高速噴射加熱到熔融狀態(tài)的顆粒在到達(dá)工件前通常可認(rèn)為是球形，撞擊到基體或已固化的涂層外表時(shí)，熔滴因動(dòng)能的沖擊壓力而變形、潤濕、鋪展，液態(tài)顆粒迅速變形并攤開成薄圓片，稱之為攤片;，最后凝固冷卻形成碟形或薄餅形的變形顆粒。噴涂熔滴對(duì)基體的碰撞、變形與堆積，在顆粒與顆粒之間，顆粒與

11、基體粗糙外表之間，顆粒片層與片層結(jié)構(gòu)之間，都可能未被熔體填充滿而產(chǎn)生孔隙，孔隙與片層狀結(jié)構(gòu)那么直接導(dǎo)致陶瓷涂層力學(xué)性能的弱化。圖1中，a、b為WC顆粒撞擊到基體外表的扁平化形貌，c、d為Cu顆粒撞擊到基體外表的扁平化形貌。圖6a中WC顆粒處于半熔化狀態(tài)，只有外表幾處尖角處熔融呈現(xiàn)出球形面，而且顆粒間有孔洞，這是在造粒過程中由于脫膠而形成的疏松結(jié)構(gòu)，而1b中的顆粒熔化完全，撞擊到基體外表后攤開形成薄圓片。圖1c、1d中Cu顆粒均熔化完全，在外表攤開成薄圓片狀，其中1c中可以發(fā)現(xiàn)攤片局部外表上有層深色物質(zhì)，這是銅的氧化物氧化銅及氧化亞銅，這就解釋了在含有銅的涂層的金相組織中存在的一些深色但有帶有黃

12、色的物質(zhì)就是銅以及其氧化物的混合物；圖1d中的攤片還呈現(xiàn)出流散狀，這是因?yàn)殂~的熔點(diǎn)低，液態(tài)銅的流動(dòng)性好，在等離子焰流中熔化充分，而且獲得的動(dòng)能也大，顆粒扁平化充分。圖2為WC-12Co和20%Cu-WC-12Co涂層的斷口SEM形貌。論文參考網(wǎng)。涂層在外力作用下自然斷裂，圖中分布有許多小坑，這說明涂層在外力的作用下其最脆弱的連接處是顆粒與顆粒之間。圖2a中WC-12Co涂層組織疏松，存在較大尺寸的孔隙；圖2b中20%Cu-WC-12Co涂層組織致密，孔隙減少，而且孔隙尺寸也減小，并且分布相對(duì)均勻。銅相對(duì)于碳化鎢來說外表活性大，熔滴的外表張力小，液態(tài)粘度低，熔化粒子的流動(dòng)性好，因此與基體以及已凝

13、固的顆粒潤濕效果好，又由于其熔點(diǎn)低，在噴涂過程中熔化充分，熔融狀態(tài)好，其熔滴在碰到基材或先沉積的涂層時(shí)，變形劇烈，鋪展性好，涂層熔滴間接觸點(diǎn)更多，可以填充到之前沉積的孔隙處。同時(shí)由于基體是金屬材料而碳化鎢是陶瓷材料，添加金屬銅也使碳化鎢涂層與基體的熱膨脹系數(shù)相差減小，有利于降低涂層的內(nèi)應(yīng)力。4 結(jié)論添加銅后，WC-12Co涂層隨著銅含量的增多組織更加致密，但顯微硬度隨之降低。添加銅后，涂層主要成分是WC及其脫碳產(chǎn)物W2C以及銅的氧化物Cu2O、CuO。由于銅的氧化反響導(dǎo)致與WC脫碳產(chǎn)生的碳反響的氧減少，致使碳含量增多，對(duì)WC的脫碳起到了一定的抑制作用，涂層中單質(zhì)W消失。銅由于其熔點(diǎn)低，外表活性好，粒子尺寸小，外表張力小，液態(tài)粘度低，潤濕效果好，具有很好的流動(dòng)性，填充到涂層形成過程中顆粒間的孔隙中，起到降低涂層孔隙率的作用。圖1 WC(a)(b)和Cu(c)(d)顆粒的扁平化形態(tài)圖2 WC-12Co(a)和20%Cu-WC-12Co(b)涂層的斷口SEM形貌參考文獻(xiàn)【1】 李博宇.等離子噴涂納米結(jié)