粉末的物理性能对热喷涂涂层的影响

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.014 第27卷第1期 北京科技大学学报 Vol.27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 粉末的物理性能对热喷涂涂层的影响 陈国安)颜永根)杨王玥》孙祖庆》 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)上海宝钢技术中心，上海201900 3)北京科技大学新金属材料因家重点实验室，北京100083 摘要在SUS316L不锈钢基体上，采用HVOF和DGS两种不同的工艺方法，分别喷涂 WC-12Co和FeAl涂层，观察WC-l2Co和FeAl粉末的颗粒形貌、粒度组成以及DTA,研究它 们对热喷涂涂层质量的影响.通过表面粗糙度、显微硬度、形貌相以及X射线衍射谱等分析 表明，球化程度高，颗粒大小均匀的粉末可使涂层的组织均匀，致密性好，结合强度高，采用 HVOF方法喷涂WC-I2Co涂层的质量最好，而采用DGS工艺喷涂FeAl涂层的工艺参数还有 待于进一步优化. 关键词涂层：热喷涂：颗粒形貌：粒度组成：DTA 分类号TG174.2;TG174.442 热喷涂技术是一种重要的表面改性技术，可 首先对基体进行毛化处理，用多棱的金刚砂 以根据不同地需求使基体表面获得抗腐蚀、抗氧 (直径约为1-2mm),在压缩空气的携带下，喷射 化、耐高温、耐磨损等特殊的物理化学性能川.热 到基体表面，形成粗糙的表面，并且除去表面的 喷涂技术极大地丰富了基材的使用范围.涂层的 氧化层，最后，用压缩空气吹去喷沙面的灰尘， 性能是由喷涂材料、喷涂工艺等多种因素决定 热喷涂工艺采用超音速喷涂(VOF)和爆炸 的，热喷涂材料除应满足使用性能要求外，还应 喷涂(DGS).其主要的工艺参数如下.超音速喷 具有较好的工艺性能如热稳定性、良好的润湿 涂：试样转速120/min,送粉速度80gmin,枪口距 性、喷涂后形成的涂层的热膨胀系数尽可能与基 试样距离即喷涂距离为380mm,爆炸喷涂：炮口 体材料相接近等， 与试样的距离为180mm,炮频4次，压缩空气压 近些年来，超音速喷涂和爆炸喷涂是被广泛 力0.4MPa,粉末流量20gmin,氧气与乙炔的总流 采用的两种喷涂方法，其喷涂的涂层质量较好， 量50L/min,流量比为1：2. 孔隙率低，结合强度高.而WC-12Co和FeAI涂 喷涂完成后，用丙酮溶液配合超声波清洗涂 层是最具代表性的涂层，耐磨耐蚀性能优良， 层，目的是在不破坏涂层的情况下，清除涂层上 本文则主要研究金属粉末材料的物理性能对热 的油污和附着的脏东西 喷涂（超音速喷涂和爆炸喷涂两种不同工艺）涂 层性能的影响， 2实验结果及分析 1实验方法 2.1粉末的物理性能 (1)粉末的形貌.粉末的球化程度越高，其固 基体材料采用SUS316L不锈钢，试样加工成 态流动性越好，在相同的工艺参数下，粉末的球 40mm×50mm×6mm钢板.喷涂粉末采用国产的 化程度越高，喷涂工艺过程越稳定，送粉越顺畅， FeAl粉末（成分为40%Fe)和美国PRAXAIR公司 喷枪的火焰越集中，粉末的沉积效率也越高.相 的WC-12Co烧结粉末（成分为W,12%Co,5%C: 反，粉末的形状不规则，喷枪的火焰容易发散，粉 典型松装密度为3.9gcm3;流动性0.33sg). 末的沉积效率低.由WC-12Co,FeAl粉末的扫描 收稿日期：200309-12修回日期：2003-1105 照片（图1）可以看出：WC-12Co粉末颗粒的形状 作者简介：陈国安(1979)，男，博士研究生 比FeAl粉末规则，而且WC-12Co粉末颗粒比

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 粉末的物理性能对热喷涂涂层 的影响 陈 国安 ” 颜 永根 “ ， 杨 王 明 ” 孙祖庆 ” 北 京科技 大学材料 科 学与工 程 学 院 ， 北 京 上 海 宝钢 技术 中心 ， 上 海 加 北 京 科技大 学新金属 材料 国 家重 点 实验室 ， 北 京 摘 要 在 不 锈钢 基 体上 ， 采用 和 两 种不 同 的工 艺 方 法 ， 分别 喷涂 一 。 和 涂层 ， 观 察 一 。 和 粉末 的颗粒 形 貌 、 粒度 组 成 以及 ， 研 究 它 们 对 热 喷 涂 涂层 质 量 的影 响 通过 表 面 粗糙度 、 显 微 硬度 、 形 貌 相 以及 射 线衍射谱 等 分 析 表 明 ， 球化 程度 高 ， 颗 粒 大 小均匀 的粉末 可 使涂层 的组 织 均匀 ， 致密 性 好 ， 结合 强度 高 采用 方 法 喷涂 一 涂层 的 质 量 最好 ， 而 采用 工 艺 喷涂 涂 层 的工 艺 参 数还 有 待 于 进 一 步优 化 关键词 涂 层 热 喷涂 颗粒 形貌 粒度 组 成 分 类 号 热 喷涂 技 术 是 一种 重 要 的表 面 改性 技 术 ， 可 以根据 不 同地 需求 使 基 体 表 面 获得抗 腐蚀 、 抗氧 化 、 耐 高温 、 耐 磨 损 等特 殊 的物 理 化 学 性 能汇 热 喷涂 技术 极 大地 丰 富 了基 材 的使用 范 围 涂 层 的 性 能 是 由喷涂 材 料 、 喷 涂 工 艺 等 多种 因 素 决 定 的 热 喷 涂材 料 除应 满足 使 用 性 能要 求 外 ， 还 应 具 有 较 好 的工 艺 性 能 如 热 稳 定 性 、 良好 的润 湿 性 、 喷涂 后 形成 的涂层 的热 膨胀 系数 尽 可 能与基 体 材 料 相 接 近 等闭 近些 年来 ， 超 音 速 喷涂 和 爆 炸 喷涂 是被广 泛 采 用 的两 种 喷涂 方 法 ， 其 喷涂 的涂 层 质 量 较 好 ， 孔 隙率 低 ， 结 合 强度 高 ‘ 而 一 和 涂 层 是 最 具 代表 性 的涂 层 ， 耐 磨 耐 蚀 性 能优 良 ‘州 ， 本 文 则 主 要 研 究 金 属 粉 末 材 料 的物 理 性 能 对 热 喷涂 超 音速 喷涂 和 爆 炸 喷涂 两 种 不 同工 艺 涂 层 性 能 的影 响 首 先对 基 体进 行 毛 化 处 理 用 多棱 的金 刚砂 直 径 约 为 一 ， 在 压 缩 空气 的携 带 下 ， 喷射 到基 体 表 面 ， 形 成 粗 糙 的表 面 ， 并 且 除去 表 面 的 氧 化 层 最 后 ， 用 压 缩 空 气 吹 去 喷 沙 面 的灰尘 热 喷 涂 工 艺采 用 超 音 速 喷涂 和 爆炸 喷 涂 其 主 要 的工 艺 参 数 如 下 ， 超 音 速 喷 涂 试 样 转 速 加 ， 送 粉速 度 ， 枪 口 距 试 样 距 离 即喷 涂 距 离 为 爆 炸 喷涂 炮 口 与试 样 的距 离 为 刃 〔 口， 炮 频 次 ， 压 缩 空气 压 力 ， 粉末 流 量 ， 氧气 与 乙 炔 的总流 量 ， 流 量 比为 喷涂 完 成 后 ， 用 丙 酮溶 液 配合 超 声波 清洗 涂 层 ， 目的是 在 不 破 坏 涂 层 的情 况 下 ， 清 除涂 层 上 的油污 和 附着 的脏 东西 实验 方 法 基 体材 料 采 用 不 锈 钢 ， 试 样 加 工 成 巧 钢 板 喷涂 粉 末 采用 国产 的 粉 末 成 分 为 和 美 国 公 司 的 一 烧 结粉 末 成 分 为 ， ， 典型松 装 密 度 为 留 ， 流 动 性 收稿 日期 一华 修 回 日期 一 刁 作 者简介 陈 国安 一 ， 男 ， 博 士 研 究生 实验 结 果 及 分 析 粉 末 的物 理 性 能 粉 末 的形 貌 粉 末 的球 化 程 度 越 高 ， 其 固 态 流 动 性 越 好 在 相 同 的 工 艺 参 数 下 ， 粉 末 的球 化程度越 高 ， 喷涂 工 艺过程越稳 定 ， 送 粉越顺 畅 ， 喷枪 的火焰 越 集 中 ， 粉 末 的沉 积 效 率 也越 高 相 反 ， 粉 末 的形状 不 规 则 ， 喷枪 的火焰 容 易发散 ， 粉 末 的沉 积 效 率低 由 一 ， 粉 末 的扫 描 照 片 图 可 以看 出 一 粉末颗 粒 的形 状 比 粉 末 规 则 ， 而 且 一 。 粉 末 颗 粒 比 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．01．014

·56 北京科技大学学报 2005年第1期 图1实验粉未的扫描电镜照片.(a)WC-12Co粉未：b)FeA粉未 Fig.1 SEM photomicrographs,of experimental powders:(a)WC-12Co:(b)FeAl FeAI粉末小.因此，在现场喷涂WC-12Co粉末时 现了单峰，并且峰宽较窄，说明了WC-12Co粉末 火焰的焰流长，而喷涂FeAl时火焰的焰流短并且 的粒度分布范围小，颗粒大小较均匀；而实验用 强度低，有堵塞枪口的现象出现. FeAl粉末颗粒直径的分布呈现双峰现象，并且峰 (2)实验粉末的粒度分析.用LS230库尔特激 宽较宽，说明了FeAl粉末的粒度分布范围过大， 光粒度分析仪对粉末进行粒度分析，其分析范围 颗粒大小不均匀，这也直接导致喷涂FeAl粉末后 为0.04-2000m.在分析前先用超声波使粉末分 涂层不致密，涂层性能不理想. 布均匀， (3)实验粉末的热分析曲线.为检验材料的耐 粉末粒度范围及其粒度级别组成，对涂层的 温性能，采用热分析的方法，分别取实验用 质量有着直接的影响，粒度分布范围过宽的粉 WC-12Co和FeAl粉末各15mg进行高温稳定性 末，其颗粒大小分布的均匀性较差，容易造成送 能分析.选取的WC-l2Co和FeA1粉末的颗粒度 粉速率不均，在枪体中粉末受热后，性能的差异 在100-200目左右，既改善导热条件，又不破坏样 较大，沉积在基体上也容易造成表面涂层性能的 品的结晶度， 不均匀，通过对FeAl和WC-l2Co粉末的粒度分 图3所示为实验粉末材料在400-1300℃的氮 析如（图2）可以得知：实验用WC-12Co粉末只出 气气氛中的DTA曲线.在DTA实验中，样品温度 5 的变化是由于反应的吸热（向下）或放热（向上）反 (a)FeAl粉末 4 应引起的，如相转变、结晶结构的转变、分解反 3 应、氧化或还原反应等.一般说来，相转变和一些 址2 分解反应产生吸热效应：而结晶、氧化等反应产 生放热效应四. 图3的WC-12C0曲线在低于1200℃的温度 246102040601002004001000 范围内一直处于平缓的下降阶段，说明WC 颗粒直径m 12owC-12Co粉末 WC-12Co 10 FeAl 2 246102040601002004001000 800 900 1000110012001300 颗粒直径m 温度/℃ 图2实验用粉末的粒度分析图 图3实验用粉末的热分析曲线 Fig.2 Grain size distribution of experimental powders Fig.3 Thermoanalysis curves of experimental powders

‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 实验粉 未的扫描 电镜照 片 。 粉未 助 月 粉未 哈 血 ， 心对 招 一 伪 粉末 小 因此 ， 在 现场 喷涂 一 粉末 时 火焰 的焰 流 长 ， 而 喷涂 时火焰 的焰 流 短 并 且 强度 低 ， 有 堵 塞 枪 口 的现 象 出现 实验 粉 末 的粒 度 分析 用 库 尔特 激 光 粒 度 分析 仪 对 粉 末 进 行 粒 度 分析 ， 其 分 析 范 围 为 卿 在 分 析 前 先 用 超 声 波 使 粉 末 分 布均 匀 粉 末 粒 度 范 围及 其粒 度 级 别 组成 ， 对 涂 层 的 质 量 有 着直 接 的 影 响 粒 度 分 布 范 围过 宽 的粉 末 ， 其 颗 粒 大 小 分 布 的均 匀 性较 差 ， 容 易造 成 送 粉速 率不 均 ， 在 枪 体 中粉 末 受 热 后 ， 性 能 的差 异 较大 ， 沉 积 在 基 体 上 也 容 易造成 表 面 涂层 性 能 的 不 均匀 通 过 对 和 一 粉 末 的粒度 分 析 如 图 可 以得 知 实验 用 粉 末 只 出 攀 彩 址 … ” 汗 颗粒 人 直径小 一 粉末 现 了单 峰 ， 并且 峰 宽较 窄 ， 说 明 了 一 。 粉 末 的粒度 分布 范 围小 ， 颗粒 大 小较均 匀 而 实验 用 粉末 颗粒 直 径 的分 布 呈 现 双 峰现象 ， 并且 峰 宽较 宽 ， 说 明 了 粉末 的粒度 分 布 范 围过 大 ， 颗粒 大 小 不 均 匀 ， 这 也直接 导致 喷涂 粉 末 后 涂层 不 致 密 ， 涂层 性 能 不 理 想 实验粉末 的热 分析 曲线 为检验材料 的耐 温 性 能 ， 采 用 热 分 析 的 方 法 ， 分 别 取 实 验 用 一 和 粉 末各 巧 进 行 高温 稳 定性 能分 析 选 取 的 一 和 粉 末 的颖粒 度 在 、 目左右 ， 既 改 善 导热 条件 ， 又 不破坏 样 品 的结 晶度 图 所 示 为实验粉 末材 料在 一 ℃ 的氮 气 气 氛 中 的 ’ 曲线 在 ’ 实验 中 ， 样 品温度 的变化 是 由于 反应 的吸热 向下 或 放热 向上 反 应 引起 的 ， 如 相 转变 、 结 晶 结构 的转 变 、 分 解 反 应 、 氧 化或还 原 反应 等 一般说来 ， 相 转 变和 一些 分解 反应 产 生 吸 热 效应 而 结 晶 、 氧 化 等 反应 产 生 放 热 效 应 图 的 一 曲线在 低 于 ℃ 的温度 范 围 内一 直 处 于 平 缓 的 下 降 阶 段 ， 说 明 一 一， 一 一 ， 叫 ‘ ， 一 一一竺妙 、 、 一入 、 仪 屯 食尸 颗粒直径 脚 图 实验 用粉 末的粒度分 析 图 褚 恤 ， 廿 琳 共 ‘ ‘ 一 二 一 人 ‘ 俐 一 叫 ‘ 一盛 一 温度 ℃ 图 实验 用粉末的热分析 曲线 对 ，‘只︵ 耸彩求

Vol.27 No.1 陈国安等：粉末的物理性能对热喷涂涂层的影响 57 12C0粉末颗粒处于一种稳定状态，且能够在 得到的涂层表面光滑细腻.因此，在考忠使用温 氮气气氛中承受1200℃以下的高温侵蚀.在 度区间时应注意到粉末的相变特性，同时还要考 1200-1300℃的温度范围内出现了两个小的放热 虑到材料的硬度变化，以保证其耐磨性和涂层表 峰和两个小的吸热峰.两个放热峰的出现，说明 面粗糙度的稳定性，进而确定材料的稳定使用温 WC-12C0晶体处于非平衡状态.而两个小的吸 度空间. 收峰的出现则表明了WC-12Co粉末发生了相 2.2涂层的物理性能与结构 变，X射线衍射分析结果表明，在此温度范围内， (1)表面粗糙度的测量.用Mitutoyo SJ--201型 游离态Co与WC转化成亚稳态的CoW,C 粗糙度测量仪测量涂层的表面粗糙度如表1. 图3的FeA1曲线在1000℃以前的低温区间 观察试样的表观形貌，在本实验中，采用两 基本没有变化，说明FeAl粉末能够在氮气气氛中 种不同粉末喷涂的涂层中，HVOF喷涂的试样比 承受1000℃以下的高温侵蚀，而在1000℃以上 DGS喷涂的试样表面平整性好.DGS喷涂后试样 曲线产生了明显的温度改变，说明材料发生了相 的表面颜色比HVOF的要深，原因是工件过热引 变.FeAl曲线在1100℃附近出现放热现象，说明 起涂层氧化而发黑.由表1涂层的表面粗糙度值 在制作过程中使粉末颗粒处于亚稳定状态.而在 同样可以看出HVOP喷涂的试样表面较光洁，由 1150℃附近出现吸热峰，表明了FeAl向FeAl的 方差比较得出HVOF喷涂WC-l2Co涂层表面最 转变. 均匀， 无放热现象，表明粉末形成涂层后整个温度 (2)显微硬度的测量.用LEICA VMHT30M显 区间都处于一种稳定状态，能够满足使用需求， 微硬度计测量涂层的显微硬度(V值)如表2. 表1涂层的表面粗糙度值 Table 1 Surface roughness values of the coatings 表面粗糙度/μm 喷涂方法 喷涂粉末 2 3 4 5 6 平均值 WC-12Co 3.83 3.72 4.15 3.88 4.26 4.03 3.98±0.21 HVOF FeAl 5.85 5.61 4.34 4.51 4.90 5.28 5.08±0.60 WC-12Co 7.51 7.26 6.40 5.67 6.01 6.55 6.57±0.71 DGS FeAl 6.60 6.48 6.37 6.86 6.99 6.65 6.66±0.23 表2涂层的显微硬度值 Table 2 Microhardness values of the coatings 显微硬度Hv) 喷涂方法 喷涂粉末 1 2 3 4 平均值 WC-12Co 1268.0 1226.9 1298.5 1205.7 1249.8±41.5 HVOF FeAl 520.3 518.5 496.0 506.9 510.4±11.3 WC-12Co 1180.5 988.0 1048.3 932.7 1037.4±106.5 DGS FeAl 547.7 391.9 288.5 302.7 382.7±119.1 从表2可以明显的得出：对于同一种喷涂工 末颗粒作硬质相，用C0作粘结相，其喷涂层组织 艺，喷涂WC-12C0粉末涂层的显微硬度比喷涂 结构为强韧的金属或合金涂层基相中弥散分布 FeAl粉未涂层的显微硬度值要高的多，因此 硬质相的颗粒，而且WC颗粒在VOF喷涂过程 WC-l2Co涂层的耐磨性能要比FeAl涂层的耐磨 中分解和氧化的量小.而DGS喷涂FeAl涂层的 性能好.而对于同一种喷涂材料，HVOF喷涂涂层 显微硬度值太低，因为显微硬度计的金刚钻锥体 各点的显微硬度值基本相等，而DGS喷涂涂层各 压头压在硬质面上时，硬度就高：压在氧化物等 点的显傲硬度值差别很大，说明HVO℉涂层的组非硬质面上时，硬度就低.气孔和氧化物夹渣造 织分布均匀，而DGS涂层的组织分布不均匀. 成了这些非硬质面的存在， HVOF喷涂WC-12Co涂层的显微硬度值最高，其 (3)涂层与基体的结合性能和涂层的抗热震 主要原因是WC-12Co粉末是硬度较高的WC粉 性能.采用将试样放入加热到900℃加热炉中保

陈 国 安等 粉 末的物理 性能对 热喷涂涂 层 的 影 响 粉 末 颗 粒 处 于 一 种 稳 定 状 态 ， 且 能 够 在 得 到 的涂 层 表 面 光 滑 细 腻 因 此 ， 在 考 虑使 用 温 氮气 气 氛 中 承 受 ℃ 以下 的 高 温 侵 蚀 在 度 区 间 时应注 意 到粉末 的相 变特性 ， 同时还 要考 一 ℃ 的温 度 范 围 内出现 了两 个 小 的放 热 虑 到材 料 的硬度 变化 ， 以保证 其 耐 磨 性和 涂 层 表 峰和 两 个 小 的吸热 峰 两 个 放 热 峰 的 出现 ， 说 明 面 粗糙度 的稳 定性 ， 进 而 确 定材料 的稳 定 使用温 一 晶体 处 于 非 平 衡 状 态 而 两 个 小 的吸 度 空 间 收 峰 的 出现 则 表 明 了 一 粉 末 发 生 了相 涂 层 的物 理 性 能 与结 构 变 ， 射 线 衍 射 分 析 结 果 表 明 ， 在 此温度 范 围 内 ， 表 面 粗 糙 度 的测 量 用 型 游 离态 与 转化 成 亚 稳 态 的 呱 粗 糙 度 测 量 仪 测 量 涂 层 的表 面粗 糙 度 如表 图 的 曲线 在 ℃ 以前 的低 温 区 间 观 察试 样 的表 观 形 貌 ， 在 本 实验 中 ， 采 用 两 基本 没有 变化 ， 说 明 粉末 能够 在氮 气 气氛 中 种 不 同粉 末 喷 涂 的涂 层 中 ， 喷 涂 的试 样 比 承 受 ℃ 以下 的 高温 侵蚀 ， 而 在 ℃ 以上 喷涂 的试 样 表 面平 整 性 好 喷涂后 试样 曲线产 生 了 明显 的温度 改变 ， 说 明材 料 发 生 了相 的表 面 颜 色 比 的要 深 ， 原 因 是 工 件 过 热 引 变 曲线 在 ℃ 附近 出现 放 热 现 象 ， 说 明 起 涂 层 氧 化 而 发 黑 由表 涂 层 的表 面 粗 糙 度值 在制 作 过程 中使粉末 颗粒 处 于 亚稳 定状 态 而在 同样 可 以看 出 喷涂 的试 样表 面较 光 洁 ， 由 ℃ 附近 出现 吸 热 峰 ， 表 明 了 ， 向 的 方 差 比较 得 出 喷涂 一 涂 层 表 面最 转 变 均 匀 无 放 热现 象 ， 表 明粉末 形 成涂层 后 整 个温 度 显 微 硬度 的测 量 用 显 区 间都 处 于 一 种 稳 定状 态 ， 能够 满 足 使用 需 求 ， 微 硬 度 计 测 量 涂 层 的显 微 硬 度 值 如 表 表 涂 层 的 表面粗糙度值 加 血 喷 涂方法 喷涂粉末 表面 粗 糙度 脚 一 一 石汽︹︸ 内︼‘、 平 均值 ， 士 士 士 士 ﹃了，‘， 喷涂方 法 平 均值 喷涂粉末 一 表 涂 层 的 显微硬 度值 卜 血 显 微硬度 担 土 士 士 土 从 表 可 以 明显 的得 出 对 于 同 一 种 喷涂 工 艺 ， 喷涂 一 。 粉 末 涂 层 的显 微 硬 度 比 喷涂 粉 末 涂 层 的 显 微 硬 度 值 要 高 的 多 ， 因 此 一 涂层 的耐 磨 性 能要 比 涂 层 的耐 磨 性 能好 而 对 于 同一 种喷涂材料 ， 喷涂涂 层 各 点 的显 微硬 度值 基 本 相 等 ， 而 喷涂涂 层 各 点 的显 微硬 度 值 差 别 很 大 ， 说 明 涂 层 的组 织 分 布 均 匀 ， 而 涂 层 的组 织 分 布 不 均 匀 喷涂 一 涂层 的显 微 硬度 值 最 高 ， 其 主 要 原 因是 一 粉 末 是硬 度较 高 的 粉 末 颗 粒 作 硬 质 相 ， 用 。 作 粘 结 相 ， 其 喷涂 层 组 织 结 构 为 强 韧 的金 属 或 合 金 涂 层 基 相 中弥 散 分 布 硬 质 相 的颗粒 ， 而且 颗粒 在 喷涂 过 程 中分 解 和 氧 化 的量 小 而 喷涂 涂 层 的 显 微 硬 度值 太 低 ， 因 为显 微 硬度 计 的金 刚钻 锥体 压 头压 在 硬质 面 上 时 ， 硬度 就 高 压 在 氧化 物 等 非硬 质 面 上 时 ， 硬 度 就 低 气 孔 和 氧 化 物 夹 渣 造 成 了这 些 非硬 质 面 的存 在 涂 层 与 基 体 的 结 合 性 能和 涂 层 的抗 热 震 性 能 采用 将试 样放 入 加热 到 ℃ 加 热 炉 中保

·58 北京科技大学学报 2005年第1期 温10min后，迅速放入水中，如此反复超过10次 磨性均达不到要求， 以上，涂层与基体之间以及涂层本身没有明显变 由图4()可以看出，FeA1涂层在形成的过程 化，则定性说明涂层与基体的结合性能和抗热震 中不均匀，使得涂层的厚度不一致，而且与基体 性能合格.经检验，HVOF,DGS喷涂WC-12Co涂 结合也很不理想，致密性比较差，孔隙比较多，组 层合格，涂层与基体之间结合良好，涂层表面无 织不均匀.从图4(e)可以清晰的看出：薄薄的一 隆起：而HVOF,DGS喷涂FeAl涂层基本合格，涂 层为FeAl涂层，涂层中黑色的为孔洞，可能是 层与基体之间有少量微裂纹，涂层表面有区域微 FeAl涂层与基体之间发生化学反应的结果.与 微隆起. WC-12C0涂层比较，FeA1涂层的致密性、孔隙 (4)涂层的形貌.在扫描电镜上分别使用二次 率、结合的程度均有很大的差距，其原因 电子探头与背反射电子探头观察涂层断面试样 有：①FeAl粉末的喷涂工艺还处于摸索阶段，其 的形貌相. 具体的工艺参数还有待于改进，而WC-12C0粉 由图4(a)和(c)可以看出，采用WC-12Co粉 末的喷涂工艺参数已很成熟.②国产FeAl粉末的 末，本实验两种不同喷涂工艺的涂层与基体结合 质量还需提高，其粒度分布范围太大，在喷涂前 的很好，致密性高，孔隙率很低，并且组织很均 需过筛选取合适粒度级别的粉末：FeAl粉末的球 匀.由二次电子像同样可以看出WC-12C0涂层 化程度以及固态的流动性均不好，影响了涂层的 与基体相互配合，厚度估算为200m,符合喷涂 性能。 的要求，如果WC-12Co涂层太厚，容易剥落且可 (5)涂层结构分析.由WC-12Co粉末及涂层 能因收缩应力过大产生裂纹或在边缘翘起与基 的X射线衍射谱（图5(a,(c)(e》可以看出：WC 材分离：若WC-12Co涂层太薄，则耐腐蚀性与耐 12Co粉末的初始相是WC,没有发现WC和金属 基体 (a)HVOF,WC.-12Co,横置 (b)HVOF,WC-12Co 架嵌料 涂层 基体 (⊙DGS,WC-I2Co,横置 (d)DGS.WC-12Co 体 (e)HVOF,FeAl,横置 (f)DGS.FeAl 图4涂层的扫描电镜照片 Fig.4 SEM photomicrographs of the coatings

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 温 后 ， 迅速 放 入 水 中 ， 如 此 反 复超 过 次 以上 ， 涂层 与基 体 之 间 以及 涂层 本 身没有 明显 变 化 ， 则 定性 说 明涂 层 与基 体 的结 合性 能 和抗热 震 性 能合 格 经 检 验 ， ， 喷涂 一 涂 层 合 格 ， 涂 层 与基 体 之 间结 合 良好 ， 涂层 表 面 无 隆起 而 ， 喷涂 涂 层 基 本合 格 ， 涂 层 与基 体 之 间有 少 量 微裂 纹 ， 涂 层 表 面有 区域微 微 隆起 涂 层 的形貌 在 扫描 电镜 上分 别使 用 二 次 电子 探 头 与 背 反 射 电子 探 头 观 察涂 层 断 面 试 样 的形 貌 相 由图 和 可 以看 出 ， 采 用 一 粉 末 ， 本 实验 两种 不 同喷涂 工 艺 的涂层 与 基 体 结合 的很 好 ， 致 密 性 高 ， 孔 隙率 很 低 ， 并 且 组 织 很 均 匀 由二 次 电子 像 同样 可 以看 出 一 。 涂 层 与 基 体 相 互 配 合 ， 厚度 估 算 为 林 ， 符 合 喷涂 的要 求 如 果 一 。 涂 层 太 厚 ， 容 易剥 落 且 可 能 因 收缩 应 力过 大 产 生 裂 纹 或 在 边缘翘起 与基 材 分 离 若 一 。 涂 层 太 薄 ， 则 耐腐 蚀 性 与 耐 磨 性均 达 不 到要 求 由 图 可 以看 出 ， 】 涂层 在 形 成 的过 程 中不均 匀 ， 使 得涂 层 的厚 度 不一 致 ， 而 且 与基体 结合 也很 不理想 ， 致密 性 比较差 ， 孔 隙 比较多 ， 组 织 不 均 匀 从 图 可 以清 晰 的看 出 薄 薄 的一 层 为 涂 层 ， 涂 层 中黑 色 的为孔 洞 ， 可 能是 涂 层 与基 体之 间发生 化 学 反 应 的结 果 与 一 。 涂层 比较 ， 涂 层 的致 密 性 、 孔 隙 率 、 结 合 的 程 度 均 有 很 大 的 差 距 其 原 因 有 ① 粉 末 的喷 涂 工 艺还 处 于 摸 索 阶段 ， 其 具 体 的工 艺参 数 还 有 待 于 改进 ， 而 一 。 粉 末 的喷涂 工 艺 参 数 已很 成 熟 ② 国产 粉 末 的 质 量 还 需提 高 其 粒度 分布 范 围太 大 ， 在 喷 涂 前 需 过 筛选取 合 适粒 度 级 别 的粉末 粉末 的球 化程度 以及 固态 的流动 性均 不好 ， 影 响 了涂 层 的 性 能 涂层 结构 分 析 由 一 。 粉 末 及 涂 层 的 射 线 衍 射 谱 图 ， 可 以看 出 一 。 粉 末 的初 始 相 是 ， 没 有 发 现 呱 和 金属 图 涂 层 的扫 描 电镜照 片 电 仲 七 廿 少

VoL.27 No.1 陈国安等：粉末的物理性能对热喷涂涂层的影响 ·59· W的出现：HVOF喷涂WC-12Co涂层的X射线衍 WC-12Co涂层的耐腐蚀性好.由FeAl粉末及涂 射谱与原始粉末很相近，出现了少量的WC和含 层的X射线衍射谱（图5b),(d),()可以看出：FeAl Co亚稳定碳化物CoW,C:而DGS喷涂WC-12Co 粉末的初始相主要是FeAl,和AlO,相：HVOF法 涂层的X射线衍射谱与原始粉末不太相同，出现 喷涂FeAl涂层的主要相是FeAl相和一定量的 了W,C,含C0亚稳定碳化物CoW,C和金属W, Al,O,相：DGS法喷涂FeAl涂层的主要相是FeAl 说明了爆炸喷涂DGS的焰流温度高导致了WC 相，FeAl相和Al,O,相.由于锌在FeAl,中能形成 颗粒的过热，发生了一定量的分解和氧化反应. 稳定的固溶体，而且DGS法喷涂FeAl层是一种 已有文献结果表明，复杂碳化物CoW,C使涂层 层状的结构，不利于锌元素的扩散反应.因此如 的耐蚀性降低I.HVOF法喷涂WC-12Co涂层中 将此涂层构件用于耐锌液腐蚀，采用DGS工艺喷 CoW,C等碳化物的含量比DGS法喷涂WC-12Co 涂FeAl层耐锌液腐蚀的效果更好，而本实验中 涂层少，因此采用VOF工艺喷涂WC-12Co涂 DGS法喷涂FeAl层中基体与涂层的结合强度较 层的耐腐蚀性好将比采用DGS工艺喷涂 低，其工艺参数需要进一步优化. g (a)WC-12Co粉末 (b)FeAI粉末 1WC 6 】FeAl2 10 2A10 4 6 2 1 0 10 30 50 70 90 10 50 70 90 20/) 20/) 0 (c)HVOF WC-12Co涂层 (d)HVOF FeAl涂层 8 1 WC 1 Al.O 6 2 WC 3 2 FeAl 3 Co,W;C 4 2 2 2 0 10 30 50 70 90 10 30 50 70 90 26/o) 28) 6 (e)DGS WC-12C0涂层 1 WC 16 3 ()DGS FeAl涂层 2 W.C 1 FeAl 3 Co,W;C 12 3 2 Al,O, 3 3 FeAl 1 0 10 30 50 70 % 10 30 50 70 0 268/() 2a/) 图5粉末及其涂层的X射线衍射谱 Fig.5 X-ray spectra of the powders and the thermal sprayed coatings 3结论 的结合最好，而采用DGS法喷涂FeAl涂层的工 艺参数还有待于进一步优化. (1)粉末的球化程度越高和粉末的颗粒大小 越均匀，喷涂后涂层的组织均匀，致密性好，涂层 参考文献 与基体的结合强度高， [门宋幼慧。涂层技术原理及应用，北京：化学工业出版社， 2000 (2)通过形貌观察、测定显微硬度值等手段， [2]陈学定，韩文政.表面涂层技术.北京：机械工业出版社， 采用HVOF法喷涂WC-12C0工艺时，涂层与基体

陈 国 安等 粉 末的物 理性 能 对 热 喷涂 涂 层 的影响 ， 的 出现 喷涂 一 涂 层 的 射 线 衍 射 谱 与 原 始粉末 很 相 近 ， 出现 了 少量 的呱 和 含 亚 稳 定 碳 化 物 而 喷涂 一 涂层 的 射 线衍射 谱 与原 始粉末 不 太 相 同 ， 出现 了 砚 ， 含 亚 稳 定 碳 化 物 孤 和 金 属 ， 说 明 了爆炸 喷涂 的焰 流温 度 高 导 致 了 颗 粒 的过 热 ， 发 生 了一 定量 的分 解 和 氧 化 反 应 己有 文 献 结 果 表 明 ， 复杂碳 化 物 氏砚 使涂 层 的耐蚀 性 降低，，， 法 喷涂 一 涂层 中 伪砚 等碳 化 物 的含 量 比 法 喷涂 一 涂层 少 ， 因此 采 用 工 艺 喷涂 一 涂 层 的 耐 腐 蚀 性 好 将 比 采 用 工 艺 喷 涂 一 涂 层 的耐 腐 蚀 性 好 由 粉 末 及 涂 层 的 射 线 衍 射 谱 图 伪 ， ，助 可 以看 出 粉 末 的初 始 相 主 要 是 ， 和 相 法 喷 涂 涂 层 的主 要相 是 相 和 一 定 量 的 ， 相 法 喷涂 涂 层 的主 要 相 是 相 ， ， 相 和 ， 相 由于 锌 在 ， 中能形 成 稳 定 的 固溶 体 ， 而 且 法 喷涂 层 是 一 种 层状 的结 构 ， 不利 于锌元 素 的扩散 反应阁 因此 如 将此 涂层 构 件用 于 耐锌 液腐 蚀 ， 采用 工 艺喷 涂 层 耐 锌 液 腐 蚀 的效 果 更 好 ， 而 本 实验 中 法 喷 涂 层 中基 体 与涂 层 的结 合 强度较 低 ， 其 工 艺 参 数 需 要 进 一 步优 化 ，夕，︸‘气以气、 乙侧慧罕、禽工 粉末 粉末 侧奥、燃韧 二 。 涂 恤︸ ， ， 习 涂层 峨山汤元 侧友霉、嗽 七侧禽、燃霉一 七侧契燃友一、 一 涂层 〕 飞 ， ，傀尸︸ ‘ 侧籍卿禽 · 图 粉末及 其 涂层 的 射 喇 线衍射谱 欣 结论 的结合 最 好 ， 而 采 用 法 喷 涂 涂层 的工 艺 参 数还 有待 于进 一 步优 化 粉末 的球 化 程 度越 高和 粉 末 的颗 粒 大 小 越均 匀 ， 喷涂后 涂层 的组 织 均 匀 ， 致 密 性 好 ， 涂 层 与 基 体 的结 合 强度 高 通 过 形 貌观 察 、 测 定 显 微 硬度值 等 手 段 ， 采 用 法 喷涂 一 工 艺 时 ， 涂 层 与 基 体 参 考 文 献 宋幼 慧 涂层技 术 原理及应用 北 京 化 学 工 业 出版社 ， 陈 学定 ， 韩 文 政 ， 表面 涂层技术 北京 机械工 业 出版社