HVOF喷涂参数对WC_Co涂层力学性能的影响

收稿日期:2006-06-15基金项目:建设部项目:辽宁省教育科技攻关项目(05L357)作者简介:赵民(1958-),男,教授,博士,主要从事硬脆性材料加工和表面改性研究文章编号:1671-2021(2007)04-0668-04HV OF 喷涂参数对WC -C o 涂层力学性能的影响赵　民1,张云凤1,R.Gadow 2,Antonio Candel -Ruiz 2(11沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁沈阳110168;21Institutf ür Fertigungstechnologie keramischer Bauteile ,University of Stuttgart ,G ermany )摘　要:目的研究HVO 下在不锈钢上热喷涂WC -Co 合金涂层喷涂参数如速度和靶距对涂层力学性能的影响,揭示其对表面残余应力,表面硬度的影响机理,优选最佳工艺参数.方法使用HVOF 在不锈钢表面喷涂WC -Co 合金形成耐磨涂层,通过使用显维硬度测量和钻孔方法来测量不同加工参数下的涂层硬度和残余应力分布.结果涂层和基体上存在3个区域,在这3个区域内硬度和残余应力完全不同的,但它们的变化趋势是一致的.涂层最大硬度并不是在表面,而是距离表面为40μm.结论通过比较不同参数下的涂层力学性能,可以确定最佳加工参数,通过试验发现喷枪速度小,靶矩小,涂层内部残余应力加大,同时显微硬度也有所提高.关键词:HVOF ;WC -Co 涂层;喷涂参数;力学性能中图分类号:TG174.46 文献标识码:A 采用传统方法很难对一些WC -Co 合金零件表面进行加工,采用HVOF 热喷涂系统可以实现耐磨表面.与其他热喷涂相比HVOF 加工技术已经成功地应用WC -Co 合金粉喷涂耐磨和耐腐蚀表面,并取得了高密度,高结合强度涂层[1-2].目前的研究多注重在影响WC -Co 合金涂层表面耐磨性方面,其影响因素包括粉末粒度、分布、形状和成分等.涂层的物理和机械特性不但取决于上述因素还要取决于喷涂加工方法和加工工艺参数.影响涂层性能和加工效率参数很多,有喷射系统的包括喷枪结构,燃烧气体及它们的混合比,还有喷枪运动系统的包括喷枪的运动速度、靶距等.喷射系统决定了粉末粒子的速度和温度,而粒子的速度和温度又决定了涂层的结构和质量如未熔的粒子和氧化程度[3].有些研究已经说明了火焰燃烧参数如热功率,燃烧比率和温度直接影响金属粉的氧化[4-5].笔者通过试验改变速度和靶距等参数,对涂层的残余应力和硬度的影响进行实验研究和理论分析,以解决WC -Co 合金零件表面加工问题.1　试　验采用德国GTV 公司的MF -G -K 热喷涂设备,喷枪用HVOF -K2型,该喷枪是在J P5000喷枪基础上发展而来,煤油和氧气在进入燃烧室前就混合为最佳状态的混合物.机械手采用德国Staeubli 公司的RX170型,执行喷枪的横向运动和靶距及角度的转换.基体材料选用114301型号不锈钢.喷涂材料选用WC -Co 系列,WC 的质量分数为83%,Co 的质量分数为17%,粒度为15～45μm ,送粉速度为62g/min 1燃料为煤油和氧气,氧气流量800L/min ,煤油流量分别选择2211,2414和2715L/min ,压力为0172MPa 1喷枪采用水冷却,水的流量为20L/min ,工件采用空气冷却1涂层金相组织采用L EICA 公司的M EF4M 电子显微镜进行观察1采用德国Fisher 公司显微硬度计对涂层截面进行硬度测量1残余应力测量采用微钻孔方法,钻头为金刚石,直径2007年07月第23卷第4期　沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science )　J ul.　2007Vol 123,No 14118mm ,钻孔深度200μm ,钻头转速3000r/min ,钻头旋转驱动压力016MPa.2　试验结果和分析(1)加工参数对涂层硬度的影响WC -Co 合金涂层硬度是一个重要力学性能指标,通过其值的大小可以直接反应表面耐磨性能.影响表面硬度的因素很多,有成分含量,组织结构.从图1中可以看到在涂层和基体上,硬度可图1　涂层显微硬度与涂层深度之间关系分为三个区间,高硬度区,热影响区和基体区.高硬度区主要是涂层区,这里的硬度值比较高.热影响区是涂层与基体的过渡区,在靠近涂层处基体受到粒子的高速冲击和高温影响,表面产生淬火,这部分硬度也比较高,随着距离表层深度的增加,受到热冲击较小,硬度基本接近于基体原始组织硬度.在涂层区最高硬度值并不是在最外表面,而是距表面有40μm ,表层最高硬度可达到2000HV 015以上,一般硬度在1600～1800HV 015,各加工参数涂层硬度变化曲线基本一致.通过大量的测试点可以看到,涂层中各点的硬度分布不均匀.这主要与涂层中WC 含量不均匀和密度不同所导致.从图1中可以看喷枪的移动速度和靶距对硬度有一定的影响.图2是不同加工参数涂层组织结构照片.涂层组织基本是WC 颗粒与Co 结合,WC 硬质相起到耐磨作用.图2(a )是喷枪速度为400m/s ,靶距为250mm ,WC 均匀分布在CO 基中,组织均匀,与基体结合比较好,没有出现裂纹和气孔,涂层厚度130μm.图2(b )是喷枪速度为650m/s ,靶距为250mm ,WC 均匀分布在Co基中,涂层与基体结合出现裂纹和气孔,同时在涂层中也存在大量微裂纹和气孔,涂层厚度65μm.图2　涂层金相组织照片(2)加工参数对残余应力的影响在HVOF 加工过程中,每一个熔化的或半熔化的粉末颗粒以850m/s 的速度冲击基体,由于冲击能量大,将会使表面产生变形[6].除了冲击的机械能产生残余应力外,颗粒的高温在表面产生的温度差也将产生残余应力.当氧气与燃料比值λ=1,靶距d =300mm 时,粉末颗粒的温度已达到1700°C ,在强冷条件下WC -Co 的涂层表面温度降到300°C ,导致表层淬火1这些残余应力可能导致内部产生微裂纹和结合层的缺陷.涂层中残余应力的测量方法有很多种如X 射线衍射,材料去除方法,弯曲和变形等1在本项研究中采用先进的和广泛使用的微孔钻方法测量涂层中的残余应力1涂层表面贴上应变片,在应变片的中心钻微孔,孔径为118mm ,进给速度为60μm/min ,钻头转速为3×105r/min 1其原理是在零件中残余应力被释放,材料被去除,导致孔周围表面产生变形,采用精密的应变仪(DMS )测量,钻头每转一周其表面所产生的应变εzo ,使用标定曲线K 1,2(z )和材料常数(E ,μ)把所测量的表面应变第23卷赵　民等:HVOF 喷涂参数对WC -Co 涂层力学性能的影响669　转换成钻头所钻孔的深度底部的应变εz ,然后根据胡克定律来确定相应钻孔深度的平面应力σ11和σ22,整个钻孔过程采用CCD 相机进行全程观测.[7] 图3是在喷枪速度为v =900m/s ,靶距d 分别为300mm 、260mm 、250mm 、225mm 时的残余应力与钻孔深度的关系曲线1残余应力主要是由于加工过程温度变化不均匀,导致涂层中各组织结构不均匀,由此产生不均匀的弹性和塑性变形,造成涂层和基体表层存在大量应力.[8-9]WC -Co 涂层和基体具有不同的温度膨胀系数,分别为514×10-6°C 和16×10-6°C ,即基体的温度膨胀系数大于涂层的膨胀系数,因此在涂层中存在着两种应力状态.从图3和图4中可以看到两种应力状态都存在.在图3中可以看到,当靶距为图3　不同靶距条件下涂层残余应力与钻孔深度关系图4　不同扫描速度下的涂层残余应力与钻孔深度关系225mm 时,应力变化比较大,这主要是靶距小,表面温度高,温差大导致内部组织弹性和塑性变形大,应力比较大.在涂层的表层内大部分为残余拉应力,随涂层深度增加,残余拉应力转换成压应力.在涂层内压应力都有增大的趋势1图4中是靶距为250mm 时,喷枪速度分别400m/s ,650m/s ,900m/s 时应力与钻孔深度关系曲线.通过该图可以看到,在涂层中应力基本上为残余压应力.当速度为400m/s 残余应力曲线变化比另外两个要大,这主要是温度比较高,导致很大变形.从两图综合分析来看,残余应力应该分成3个区间,即涂层区;过渡区和基体区,这与涂层中硬度分布基本是一致的.3　结　论(1)喷枪的横向运动速度和靶距对涂层的力学性能具有很大影响.从残余应力总的趋势来看当喷枪的靶距和速度减小时,表层残余拉应力增加,同时硬度也有所提高.WC -Co 涂层中既有拉应力也有压应力.(2)涂层硬度与其组织结构有很大关系,涂层组织基本是WC 颗粒与Co 相结合.(3)在HVOF 加工过程中存在3个热影响区,每个区域内的硬度和残余应力都不同.在涂层中存在着很多气孔和裂纹,硬度分布不均匀,涂层中最高硬度距表层有一定距离,最高硬度可达到2000HV 015以上,一般硬度在1600～1800HV 015.参考文献:[1]　Stokes J ,Looney L.Properties of WC -Co Compo 2nents Produced Using the HVOF Thermal S pray Pro 2cess [C ].Canada :Ist International Thermal S pray Conference ,2000.[2]　De S ,Palo M ,Mohanty H ,et al.Fracture ToughnessOf HVOF S prayed WC -Co Coatings[C ].Canada :Ist International Thermal S pray Conference ,2000.[3]　Bisson J F ,Lamontagne M ,Moreau C ,et al ,EnsembleIn -flight Partocle Diagnostics under Thermal S pray Conditions[C ].Ohio :New Surfaces for a New Mil 2lennium ,(ED )C.C.2001.[4]　G ourlaouen V ,Verna E ,Beaubien P.Influence ofFlame Parameters on Stainless Steel Coatings Proper 2ties[C].Canada :Ist International Thermal S pray Con 2ference ,2000.[5]　Kraak T ,Herlaar W ,Wolke J ,et al.Influence of diff 2enrent gases on the mechanical and physical properties on HVOF sprayed tungsten carbide cobalt [C ].Ohio :International advances in coatings technology ,ASM ,Materials Park ,1992.[6]　K owalsky K B ,Marantz D R ,Smith K F ,et al.HVOF-Particle Flame Diagnostics and Coating Characterit 2ics [C ].Long Beach :the Third National Thermal Spray Conferenc ,1990.670　沈阳建筑大学学报(自然科学版)第23卷[7]　Buchman M ,G adow R.Residual Stress Analysis ofS olid Lubricant Containing Coatings on Light Metal Alloys for Aluminum Engine Components [C ].Cana 2da :Ist International Thermal S pray Conference ,2000.[8]　Friedrich C J ,G adow R ,K illinger A ,et al.IR Ther 2morgraphic Imaging -a Powerful Tool for On -Line Process Control of Thermal S praying [C ].Ohio :New Surfaces for a New Millennium ,2001.[9]　Buchman M ,G adow R ,Tabellion J ,Ex perimental andnumerical residual stress analysis of layer caoted com 2posites[J ].Material Science and Engineering ,2000,A288:154-159.Investigating the Influence of HV OF Parameters on MechanicalProperties of WC -Co CoatingZHA O M i n 1,ZHA N G Y unf eng 1,R.Gadow 2,A ntonio Candel -R uiz2(11School of Traffic and Mechanical Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168,China ;21Institut f ür Ferti 2gungstechnologie K eramischer Bauteile ,University of Stuttgart ,G ermany )Abstract :High velocity oxyg -fuel (HVOF )technology is used to spray WC -Co alloy and to form a resis 2tance coating on stainless steel.Through experiments with different spraying parameters ,such as torch ve 2locity and distance ,the influence of parameters on mechanical properties in coating is further studied and the optimal spraying parameters can be selected.The principle of influence on residual stress and hardness in coating is described by changing these parameters.By means of the micro hardness and micro milling meth 2ods ,the distribution of micro hardness and residual stress in coating are measured under different spraying parameters.The result shows that there are three zones between coating and substrate in which hardness and residual stress are very different under different spaying parameters ,but their changing curves are con paring mechanical properties on coating under different processing parameters ,the optimum pa 2rameter is obtained and it is discovered that the smaller the values of torch velocity and the shorter the dis 2tances to the workpiece are the higher hardness and larger residual stress are obtained.K ey w ords :HVOF ;WC -Co coating ;spraying parameters ;mechanical properties第23卷赵　民等:HVOF 喷涂参数对WC -Co 涂层力学性能的影响671　。