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

·60· 北京科技大学学报 2005年第1期 1994 ating with molten zinc in a zinc pot of a continuous galvanizing 3)徐滨士，刘世参.表面工程.北京：机械工业出版社，2000 line.Surf Coat TechnoL,2001,138:101 [4)王志平，董祖珏，温瑾林.高速火焰与等离子喷涂WCC0 [刀李余增.热分析.北京：清华大学出版社，1987 涂层的性能比较.中国表面工程，1999(2)：180 8)]刘寿柴.WCC0硬质合金的相转变.硬质合金，2001,9：129 [)辛钢，高阳，黑祖昆.高速火焰喷涂和气体爆燃喷涂铁铝 [9]Kazumi T,Tomoki T,Yoshifumi K,et al.Durability of sprayed 涂层的比较.云南大学学报，2002,24(1：183 WC/Co coatings in Al-added zinc bath.ISIJ Int,1994,34(10): [6]Seong B G,Hwang S Y,Kim MC,et al.Reaction of WC-Co co- 822 Physical property effect of powder on thermal spraying coatings CHEN Guoan",YAN Yonggen?,YANG Wangyue,SUN Zuqing" 1)Material Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Technology Center of BaoSteel Shanghai,Shanghai 201900,China 3)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT WC-12Co and FeAl powders were sprayed on SUS316L stainless steel matrix by HVOF or DG pro- cess respectively.The particle morphology,the grain size distribution and the DTA curve were investigated and the corresponding effects on the quality of spraying coatings were discussed.The results from the measurements of sur- face roughness and microhardness and the observations of coating morphology and X-ray diffractometry indicated that highly spheroidised and homogeneous powders lead to homogeneous microstructure,good compactness and strong bonding between the coating and the matrix.From the present experiment it can be concluded that quality of WC-12Co coating deposited by HVOF is the best,but the processing parameters of FeAl coating deposited by DGS need to be optimized further. KEY WORDS coatings;thermal spraying;particle morphology;grain size distribution;DTA curve

‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 口 徐滨士 ， 刘 世参 表面 工程 北京 机械工业 出版社 ， 王 志平 ， 董 祖压 ， 温瑾林 高速 火焰 与等 离子 喷涂 涂层 的性能 比较 中国 裹面工 程 ， 辛钢 ， 高 阳 ， 黑 祖 昆 高速 火焰喷涂和 气 体爆燃喷 涂铁铝 涂层 的 比较 云 南大 学学报 ， ， ， ， ， 石 一 公访 。 】 。 刀口‘ 咖 石 别田团 泳 帕 予伙卜 人 ， 〔刀 李余增 热分析 北 京 清华大学 出版社 ， 刘 寿荣 习 。 硬质合金 的相转变 硬质合金 ， ， 乙旧” ， ， 加 ， 目 衍 卿 创匕 玩兔 付￡浑 ，气翔 柳受粥 气 肠构盯胡 ，气习已那 心 ， 门口 ， 明 ， ， 加 幼 ， ， 口 即 ， ， ， 一 幻 时 叭 印叮 邝 『 而 】 价 帅 ， 勺刃 一 ， 宝 川 ， 卫 别 『 泳