爆炸喷涂纳米WC-12Co涂层的性能.pdf

第5 9 卷第2 期 20 07 年5 月 有色金属 N O n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．2 M a y 2 0 0 7 爆炸喷涂纳米W C 一1 2 C o 涂层的性能 杨晓彬，于月光，刘海飞，鲍君峰，佘俊，赵晓东 北京矿冶研究总院金属材料研究所，北京 10 0 0 4 4 摘要采用爆炸喷涂工艺分别制备纳米结构和常规结构W C - 1 2 C o 涂层，研究了2 种涂层的显微硬度、结合强度和摩擦磨 损性能，并用扫描电镜 S E M 分析喷涂材料和涂层的形貌。结果表明，经爆炸喷涂，喷涂粉末中的W C 颗粒的纳米晶特征能够保 留到涂层中，得到纳米晶涂层。采用爆炸喷涂制备的纳米结构W C - 1 2 C o 涂层较常规W C ．1 2 C o 涂层组织致密，孔隙率低，其结合强 度约为常规w C - 1 2 C o 涂层的1 ．4 倍，显微硬度约为常规涂层的1 ．3 倍，摩擦磨损量约为常规涂层的1 ／2 。 关键词金属材料；W C - 1 2 C o ；爆炸喷涂；纳米结构；性能 中图分类号T G l 7 4 ．4 4 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 2 2 0 3 热喷涂制备纳米涂层技术是用纳米结构粉末 或其他形式 材料，采用热喷涂工艺技术，在基体表 面制备纳米结构涂层或纳米结构复合涂层的一门新 兴的表面改性技术⋯1 。与传统热喷涂涂层相比，纳 米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲 劳等方面会有显著改善，且一种涂层可同时具有上 述多种性能[ 2 I 。因此，热喷涂制备纳米涂层技术具 有非常广阔的应用前景【3 | 。 目前，纳米材料的喷涂方法主要有爆炸喷涂、等 离子喷涂、超音速火焰喷涂等。爆炸喷涂与其他喷 涂技术相比，其涂层的结合强度和硬度高，耐磨性 好，涂层致密，孔隙率低[ 4 ] 。因此，采用爆炸喷涂技 术制备了纳米结构W C 一1 2 C o 涂层，对其进行了表面 形貌、结合强度、摩擦磨损等方面的研究，并与常规 微米W C - 1 2 C o 粉末制备的涂层进行了对比分析。 1实验方法 1 ．1 试验材料与预处理 基体为4 5 钢。纳米结构W C 一1 2 C o 粉末平均 晶粒度为5 2 n m ，造粒后平均粒径为3 5 ．5 8 , a m ，松装 密度为5 ．0 4 9 ／c m 3 。常规微米W C 一1 2 C o 粉末采用 团聚烧结方法制成，粒度为5 7 ．5 9 , u m ，松装密度为 3 ．6 7 9 ／c m 3 。两种粉末S E M 形貌如图1 所示。由 图1 可见，纳米结构W C 一1 2 C o 粉末颗粒大部分呈球 形，颗粒内部结合紧密，孔隙少，常规W C 一1 2 C o 粉末 颗粒呈不规则块状，多棱角，颗粒内部结合松散，存 收稿日期2 0 0 6 1 1 1 3 作者简介杨晓彬 1 9 7 5 一 ，男，山东莱州市人，硕士生，主要从事 热喷涂制备纳米涂层等方面的研究。 在大量的孔隙。 a 一纳米 表面 ； b 一纳米 剖面 ； c 一常规 表面 ； d 一常规 剖面 图1两种W C ．1 2 C o 粉末表面与剖面S E M 形貌 F i g ．1S E Mm o r p h o l o g yo ft w oW C - 1 2 C op o w d e r s 喷涂前对试样待喷涂表面用8 0 0 汽油去除油 污，待汽油自然挥发干后再用丙酮清洗试样表面，然 后用8 3 3 p m 的棕刚玉砂对基体表面进行吹砂粗化 处理。 1 ．2 试验过程 爆炸喷涂采用的是乌克兰进口设备D n e r p 一Ⅲ， 空气为送粉气，氧气和乙炔为热源气体，喷涂工艺参 数见表1 。 采用H I T A C H I S 一3 5 0 0 N 型扫描电镜 S E M 观 察喷涂用粉末的表面、剖面形貌、涂层截面的形貌。 在H M T 一3 型显微硬度计上测试涂层截面的显 微硬度，载荷为2 N ，加载时间为1 5 s ，取5 次测量的 平均值。 涂层的结合强度测定按照H B 7 7 5 1 ．2 0 0 4 标准 在W E I O A 万能材料试验机上进行，涂层的结合强 万方数据 第2 期杨晓彬等爆炸喷涂纳米W C 一1 2 C o 涂层的性能2 3 度值为5 个数据的平均值。 表1D n e p r - Ⅲ喷涂W C - 1 2 C o 的工艺参数 T a b l e1 P r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fW C - 1 2 C o s p r a y e db yD n e p r 一Ⅲ 摩擦磨损试验是在M R H 一3 型高速环块磨损试 验机上进行。载荷2 0 0 N ，摩擦速度4 0 0 r ／m i n ，磨损 时间1 0 m i n ，温度2 5 ℃，干摩擦。采用精度为0 ．1 m g 的B S 2 1 0 S 型分析天平称量试样的摩擦磨损失重。 试验结果为5 次试验的平均值。 2 试验结果与讨论 2 ．1 涂层的组织结构 图2 为两种涂层的断面的S E M 形貌。从图2 a 可以看出，纳米W C 一1 2 C o 涂层中，W C 颗粒基本 保持喷涂前的形貌，而C o 颗粒则熔化充分，形成致 密的粘结相，细小的W C 颗粒均匀的弥散在C o 基 体中。涂层的孔隙小 l 肚m ，呈圆形。常规W C 一 1 2 C o 涂层，孔隙明显较纳米涂层多，呈不规则的长 条状，大小在1 0 ／- m 左右。这是由于纳米粉末颗粒 细小，比表面积大，在喷涂过程中更容易熔化，细小 的颗粒更容易填补层与层搭接产生的孔隙。 a 一纲米w c 一1 2 c o ； b 一绡米W C l 2 c o 图2 两种涂层断面S E M 形貌 F i g ．2 S E Mm o r p h o l o g yo fc r o s s s e c t i o no ft w oc o a t i n g s 2 ．2 涂层的显微硬度 图3 为纳米和常规涂层的显微硬度试验结果。 结果表明，常规W C 一1 2 C o 涂层的显微硬度为1 1 8 6 H V 0 2 ，而纳米结构W C 一1 2 C o 涂层的显微硬度为 1 5 8 4 H V o2 ，是常规涂层的t ．3 倍。 纳米结构W C 一1 2 C O 涂层的显微硬度近似符合 纳米W C ．】2 C o常规W C 一1 2 C o 图3 两种涂层的显微硬度 F i g ．3 M i c r o h a r d n e s so ft w oc o a t i n g s 多晶材料的H a l lP e r c h 规律l5 | ，H V 仃o k o d _ 1 ／2 ，其中d 是晶粒尺寸，叮。和k o 是试验常数， 即显微硬度随晶粒的尺寸减小而增加。从涂层 S E M 照片上可以观察到，。经过爆炸喷涂，W C 颗粒 并未熔化，依然保持喷涂前的特征，即晶粒尺寸保持 在纳米级。晶粒的细化导致显微硬度的提高。 2 ．3 涂层的结合强度 图4 为纳米和常规涂层结合强度试验结果。从 图4 可以看出，纳米涂层的结合强度比常规涂层的 结合强度高，达到了8 6 ．2 M P a ，是常规涂层的1 ．4 倍。这是由于纳米结构涂层熔化、铺展充分，纳米颗 粒密度大，在飞行过程中更容易获得高的能量，与基 体撞击剧烈，因此涂层致密，界面结合好。 纳米W C 一1 2 C o常规W C 一1 2 C o 图4 两种涂层的结合强度 F i g ．4 A d h e s i o no ft w oc o a t i n g s 2 ．4 涂层的耐磨性 图5 为纳米和常规涂层摩擦磨损试验结果。结 果显示，纳米结构W C 一1 2 C 0 涂层的耐磨损性能明显 优于常规W C 一1 2 C o 涂层的耐磨损性能，其磨损量约 为常规涂层的1 ／2 。这主要是因为纳米结构W C 一 1 2 C o 涂层中W C 颗粒与C o 粘结相结合紧密，分散 均匀，存在大量的细晶粒边界，起到缓冲应力的作 用，有利于韧性的增加拍J 。 。岁}{，莓f甚聚碟 8 6 中 2 孟苫、魁囊啦蝣 万方数据 2 4有色金属第5 9 卷 I { 1 4 1 ．I X 】2 1 ． x 】l 0 ．‘_ l 1 8 ．‘X X 6 0 0 0 0 4 0 ．{ X X 2 ‘ 纳米W C 一1 2 C o常规w C 一1 2 C o 图5 两种涂层的耐磨性 F i g ．5 W e a rr e s i s t a n c eo ft W Oc o a t i n g s 参考文献 3结论 采用爆炸喷涂制备的纳米结构W C 一1 2 C O 涂层 较常规W C ．1 2 C O 涂层组织致密，孔隙率低，其结合 强度为常规W C ．1 2 C O 涂层的1 ．4 倍，显微硬度约为 常规涂层的1 ．3 倍，摩擦磨损量约为常规涂层的l ／ 2 。经爆炸喷涂，喷涂粉末中的W C 颗粒的纳米晶 特征能够保留到涂层中，得到纳米晶涂层。晶粒细 化是纳米结构W C 一1 2 C O 涂层性能提高的重要原 因。 [ 1 ] 吴子健，张虎寅，吕艳红．热喷涂纳米涂层材料及涂层制备方法现状和发展趋势[ C ] ／／2 0 0 4 全国热喷涂技术研讨会论文 集．广东珠海全国热喷涂协作组，2 0 0 4 2 0 2 4 ． [ 2 ] 徐滨士．纳米表面工程[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 3 1 7 2 1 7 6 ． [ 3 ] S t e w a r tDA ，D e n tAH ，H a r r i sSJ ，e ta 1 ．N o v e le n g i n e e r i n gc o a t i n gw i t hn a n o c r y s t a l l i n ea n dn a n o c o m p o s i t i es t r u r eb yt h e r m s p r a y i n g [ J ] ．T h e r mS p r a yT e c h n ，1 9 9 8 ，7 3 4 2 2 4 2 3 ． [ 4 ] 许磊，张春华，张松，等．爆炸喷涂纳米w G C o 涂层的研究[ J ] ．材料保护，2 0 0 4 ，3 7 8 1 4 1 6 ． [ 5 ] L e o nLS h a w ，D a n i e lG o b e r m a n ，R u i m i n gR e n ．T h ed e p e n d e n c yo fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fn a n o s t r u c t u r e dc o a t i n g so n p l a s m as p r a yc o n d i t i o n s [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，1 3 0 1 1 8 ． [ 6 ] G a n e s hS k a n d a n ，R u v e ey a o ，B e r n a r dHK e a r ，e ta 1 ．M u l t i m o d a lp o w d e r s An e wc l a s so ff e e d s t o c km a t e r i a lf o rt h e r m a ls p r a y i n g o fh a r dc o a t i n g s [ J ] ．S e r i p t am a t e r ，2 0 0 1 ，4 4 8 ／9 1 6 9 9 1 7 0 2 ． P r o p e r t i e so fW C , 1 2 C oN a n o s t r u c t u r e dC o a t i n g sP r e p a r e db yD e t o n a t i o nS p r a y i n g Y A N GX i a o - b i n ，Y UY u e - g u a n g ，L j UH a i f e i ，B A OJ u n f e n g ，S H EJ u , z ，Z H A OX i a o - d o n g S u b - i n s t i t u t eo fM e t a lM a t e r i a l s ，B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 A b s t r a c t T h en a n o s t r u c t u r e da n dc o n v e n t i o n a lW C 一1 2 C Oc o a t i n g sa r ep r e p a r e db yd e t o n a t i o ns p r a y i n g ，a n dt h ep r o p e r t i e so ft w oc o a t i n g ss u c ha sm i c r o h a r d n e s s ，a d h e s i o na n dw e a rr e s i s t a n c ea r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h es p r a y i n gp o w d e r sa n dc o a t i n g sa r ea n a l y z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y S E M ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en a n o s t r u c t u r ef e a t u r e so ft h eW C 一1 2 C Oarer e t a i n e di nt h es p r a y i n gc o a t i n g s ．C o m p a r i n gt ot h ec o n v e n t i o n a lW C ．1 2 C oc o a t i n g ，t h en a n o s t r u c t u r e dc o a t i n gp r e p a r e db yd e t o n a t i o ns p r a y i n gh a sd e n s e rm i c r o s t r u e t u r ea n df e w e rp o r o s i t y ，a n dt h ea d h e s i o ni si n c r e a s e db y4 0 ％，a n dt h em i c r o h a r d n e s sb y3 0 ％，a n dt h ew e a r r e s i s t a n c eb y5 0 ％． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；d e t o n a t i o ns p r a y i n g ；W C 一1 2 C o ；n a n o s t r u e t u r e ；p r o p e r t i e s 0 捌鞲饕 万方数据