超音速火焰喷涂WC-10Ni硬质合金涂层及其水润滑磨损性能研究

摘要

以Ni代Co粘结相的耐磨WC-Ni硬质合金涂层具有更优异的耐高温、抗腐蚀、防辐射等性能，有望在高温高压、高湿、腐蚀介质、放射环境工况下服役应用。但是，WC-Ni系硬质合金涂层作为近年来新发展起来的涂层体系，远没有WC-Co体系研究成熟，不仅喷涂工艺的研发不够深入，而且缺乏在介质环境下的摩擦磨损性能的系统研究。超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy-Fuel，HVOF)技术是制备WC基硬质合金涂层的一种主要技术手段，本文采用HVOF技术在17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢表面喷涂制备Ni结WC硬质合金涂层，面向涂层在水介质环境下应用的水润滑磨损性能，开展耐磨WC-10Ni涂层制备工艺研究，探索调节氧气与燃料配比O/F值、喷涂角度及气氛保护等喷涂工艺参数对涂层孔隙率、组织结构、相组成的影响规律，分析涂层显微硬度、弹性模量、断裂韧性、界面断裂韧性等力学性能，探讨HVOF喷涂WC-10Ni涂层水润滑摩擦磨损行为及其机理，建立从涂层喷涂工艺到涂层性能的内在关联，提供以提升涂层水润滑摩擦磨损性能为目标的工艺设计与优化方法，为水润滑耐磨抗蚀硬质合金喷涂涂层制造提供理论和技术支撑。主要研究工作包括以下四个部分:
　　(1)研究了喷涂氧气/燃料(O/F)比值的影响作用。O/F值是HVOF核心工艺参数，通过不同氧气和煤油流量配比的O/F值可调控喷涂粒子温度和速度。保持煤油流量为22.7 L/h不变，氧气流量从811 L/min增大至946 L/min使O/F值由1.1增至1.3，喷涂粒子速度增大、温度略有降低，WC-10Ni涂层孔隙率由0.86％降至0.78％。维持氧气流量为811 L/min而降低煤油流量，同样可使O/F值由1.1增至1.3，喷涂粒子速度和温度均明显减小，涂层孔隙率由0.86％增大至4.5％。随着O/F值的增大，喷涂粒子温度均有所降低，减轻了WC相的氧化而使涂层中WC相保留率提高，若喷涂粒子速度提高，则有利于进一步提高WC相保留率。涂层孔隙率和相结构共同影响了涂层硬度，孔隙率显著影响较大载荷测试的显微硬度值，WC相保留率明显影响小载荷显微硬度值。涂层硬度、弹性模量和涂层微观组织结构决定了其断裂韧性的大小，涂层弹性模量与硬度的比值(E/H)的提高和涂层微观组织致密度的增大，均提高了涂层的断裂韧性。
　　(2)研究了喷涂角度的影响作用。对于复杂形状零件的表面涂层的制备，喷涂角度是重要的喷涂参数。降低喷涂角度时，喷涂粒子撞击基体的法向动能减小，WC-10Ni涂层孔隙率由喷涂角度为90°时的0.86％增大至喷涂角度为30°时的1.68％。降低喷涂角度导致喷涂焰流与零件基体作用面积增大，对沉积粒子形成了过度加热，而且斜入射喷涂粒子更易铺展也增大了其与氧气的接触面积，因此，随着喷涂角度的降低，WC相分解量增大。涂层中WC相的保留率由喷涂角度为90°时的82％降低至喷涂角度为30°时的69％。由于涂层孔隙率增大和WC相保留率降低，涂层硬度由90°时的10.8 GPa降低至30°时的9.9 GPa，涂层弹性模量与硬度比值E/H也降低。小角度喷涂涂层中扁平化沉积粒子之间结合力降低，促进了裂纹扩展，导致了涂层断裂韧性的降低。与涂层断裂韧性相比，涂层的界面断裂韧性变化趋势不完全相同，受到涂层残余拉应力和硬度的影响更大。
　　(3)研究了N2气氛保护喷涂的影响作用。N2气氛保护喷涂抑制WC-10Ni涂层中WC相的氧化分解，同时也影响了涂层微观组织形貌。采用直接在基体表面通N2保护进行喷涂，WC相的保留率提高了约5％，但N2对喷涂粒子的冷却作用导致了涂层中沉积粒子之间界面孔隙增多，涂层的孔隙率约为在空气中喷涂涂层的两倍，WC相保留率的提高抵消了孔隙率增大对涂层硬度的降低作用，获得了与空气中喷涂涂层相近的显微硬度。然而，在涂层断裂韧性的压入测试中，N2保护喷涂涂层出现沿着沉积粒子之间孔隙扩展的裂纹，导致了比空气中喷涂涂层更低的断裂韧性。为了控制N2的冷却作用和增强N2的保护作用，采用在保护罩内通N2的改进气氛保护方式，N2在保护罩内阻滞流动不仅减弱了N2对喷涂粒子的冷却作用，而且阻隔了氧气的混入，进一步提高了WC相的保留率，涂层孔隙率明显降低，达到了与在空气中喷涂涂层相近的水平。
　　(4)对不同工艺涂参数喷涂的WC-10Ni涂层进行了水润滑摩擦磨损性能评价，分析了涂层组织结构和力学性能对其摩擦磨损行为的影响机制。较低孔隙率的涂层磨损机制以粘着磨损为主，伴随着因少量WC颗粒脱落和破碎造成的轻微磨粒磨损。当涂层孔隙率增大时，孔隙周围基体对WC颗粒的支撑弱化，易造成WC颗粒的脱落及挤压破碎，磨粒磨损程度有所加重，同时，孔隙率的增加降低了摩擦系数，对涂层水润滑减摩有促进作用。涂层硬度和涂层微观结构对摩擦磨损性能均有较大影响。采用保护罩的改进的气氛保护喷涂，获得的涂层孔隙率为0.9-1.9％，接近空气中喷涂涂层的0.86-1.68％，由于前者的WC相保留率提高，其显微硬度相应提高，涂层比磨损率降低了约10％。在硬度相近的涂层中，硬质相与粘结相结合强度更高的涂层磨损过程中硬质相更不易脱落，涂层磨损机制以粘着磨损和轻微磨粒磨损为主。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 WC基硬质合金涂层研究背景

1．1．1 硬质合金种类及发展概况

1．1．2 WC基硬质合金及涂层性质

1．1．3 WC基硬质合金涂层应用

1．2 热喷涂涂层技术

1．2．1 热喷涂技术沿革

1．2．2 WC基硬质合金涂层热喷涂技术

1．3 热喷涂WC基硬质合金涂层工艺研究进展

1．3．1 工艺参数对喷涂粒子状态的影响

1．3．2 热喷涂粒子氧化行为研究

1．3．3 热喷涂涂层组织结构与性质

1．3．4 热喷涂涂层摩擦磨损性能

1．4 本论文研究目的与内容

2 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 涂层制备工艺

2．2．1 超音速火焰喷涂设备

2．2．2 超音速火焰喷涂工艺

2．3 涂层组织性能测试

2．3．1 涂层组织结构分析

2．3．2 涂层力学性能分析

2．3．3 涂层摩擦磨损性能分析

3 不同氧气燃料比(O／F)喷涂WC-10Ni涂层的组织结构与力学性能

3．1 喷涂粒子飞行速度分布测量

3．2 不同O／F值喷涂涂层的组织结构

3．3 不同O／F值喷涂涂层的力学性能

3．4 讨论

3．4．1 不同O／F值对喷涂涂层组织结构的影响

3．4．2 不同O／F值对喷涂涂层力学性能的影响

3．5 本章小结

4 不同喷涂角度喷涂WC-10Ni涂层的组织结构与性能

4．1 不同喷涂角度喷涂涂层的组织结构

4．2 不同喷涂角度喷涂涂层的力学性能

4．3 讨论

4．3．1 喷涂角度对喷涂涂层组织结构的影响

4．3．2 喷涂角度对涂层力学性能的影响

4．4 本章小结

5 N2气氛保护喷涂WC-10Ni涂层的组织结构与性能

5．1 N2保护喷涂涂层的组织结构

5．2 N2保护喷涂涂层力学性能

5．3 讨论

5．3．1 N2保护对喷涂涂层组织结构的影响

5．3．2 N2保护对喷涂涂层力学性能的影响

5．4 本章小结

6 超音速火焰喷涂WC-Ni涂层的水润滑摩擦磨损性能

6．1 不同工艺条件制备的涂层水润滑摩擦磨损行为

6．1．1 不同O／F值喷涂WC-10Ni涂层摩擦磨损行为

6．1．2 N2保护不同角度喷涂WC-10Ni涂层摩擦磨损行为

6．2 涂层组织结构和力学性能对涂层摩擦磨损性能的影响规律

6．3 讨论

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介