M152钢基体超音速火焰喷涂WC_17Co涂层性能研究

M 152钢基体超音速火焰喷涂WC -17C o 涂层性能研究崔永静，陆峰，汤智慧，王长亮，郭孟秋(北京航空材料研究院，北京100095)摘要：采用超音速火焰喷涂技术在M 152钢上制备了WC -17C o 涂层。

对WC -17C o 涂层的耐磨性能和耐蚀性能进行了研究。

结果表明超音速火焰喷涂WC -17C o 涂层显著提高了M 152钢基体的抗盐雾腐蚀性能，同时WC -17C o 涂层具有优异的抗氧化性能和耐磨性能，可用于M 152钢零件中温区域的耐磨、耐蚀防护。

关键词：超音速火焰喷涂；WC -C o 涂层；磨损；腐蚀中图分类号：TG 174.4文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2012）03-0023-05D OI 10.3969/j .issn .1674-7127.2012.03.005Performance of WC-17Co Coatings Fabricatedby High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spray on M152SteelCUI Yong-jing ，LU Feng ，TANG Zhi-hui ，WANG Chang-liang ，GUO Meng-qiu（Beijing Institute of Aeronautical Material,Beijing 100095,China)Abstract:WC-17Co coating was fabricated by high velocity oxy-fuel (HVOF)spraying on M152steel.The wear and corrosion properties of the coating were investigated.The results indicated that WC-17Co coating substantially improved the salt spray corrosion performance of M152,and WC-17Co coating showed excellent resistance of wear and oxidation.Obviously,the WC-17Co coating has great potential in protecting M152steel in media temperature.Keywords:HVOF ；WC-Co coating ；Wear ；Corrosion作者简介：崔永静（1984-），男，河北唐县人，工程师，硕士.E-mai l :c u i y o n g jin g @126.c o mM 152（1Cr 12N i 3M o2VN ）合金钢是一种马氏体耐热钢，主要应用于超超临界机组汽轮机末级叶片及紧固件，燃气轮机及航空发动机机匣部件[1]。

它的使用温度达到400℃以上，M 152钢中温区的耐磨损、耐腐蚀防护问题成为限制M 152钢应用的关键。

WC 系列涂层是应用最为广泛的耐磨耐蚀防护涂层之一，它具有较高的硬度，优异的耐磨、耐蚀性能，使用温度高达540℃，另外还可以替代耗能高、污染严重的电镀硬铬，成为耐磨、耐蚀涂层防护领域研究的热点。

超音速火焰喷涂（H V O F ）工艺是20世纪八十年代初期，由美国B r o wnin g E n g in ee rin g 公司推出的一种新型热喷涂技术。

H V O F 的焰流温度可达2700℃，焰流速度可达2000m/s 。

相对于等离子喷涂工艺来说，H V O F 较低的焰流温度和较高的焰流速度可以减少在喷涂过程中WC 粉末颗粒的脱碳、氧化等反应。

因而，H V O F 工艺制备的WC -C o 涂层具有高硬度，低孔隙率，与基体结合强度高（>70M P a ）等优点；与电镀硬铬涂层相比，耐磨性更好，对环境更加友好，对基体疲劳性能影响低。

因此，在第4卷第3期2012年9月热喷涂技术Thermal Spray TechnologyVol.4，No.3Sep.，2012热喷涂技术4卷国内外尤其是航空领域得到了深入的研究和广泛的应用，已成为制备WC系列耐磨涂层的首选工艺[2-3]。

本工作采用超音速火焰喷涂技术在M152不锈钢基体上喷涂WC-17C o涂层，研究WC-17C o 涂层对M152钢耐蚀性能的影响，并对涂层的磨损性能、中温区的氧化行为进行了研究，为超音速火焰喷涂WC-17C o涂层在M152钢零件防护上的应用提供理论依据。

1实验1.1喷涂粉末及喷涂工艺本实验喷涂粉末选用苏尔寿·美科公司生产的团聚烧结WC-17C o粉末，粉末粒径分布为10~45μm。

M152试片经最终热处理后，将试样进行超声除油，采用刚玉砂进行喷砂处理，然后采用压缩空气除掉基体表面镶嵌的砂粒。

各试样采用D J2700超音速火焰喷涂设备制备涂层，其中丙烷和氧气为燃气。

1.2测试方法采用Q u an t a600型环境扫描电子显微镜观察粉末和涂层的显微形貌。

采用S t r u e rs D u ramin型显微硬度计测试涂层的显微硬度，载荷为2.94N，加载时间15s，每个试样测10个点，结果取10次的平均值。

涂层孔隙率测试采用金相处理软件，连续选取10张涂层截面图谱分析求取平均值作为孔隙率值。

按G B/T10125盐雾试验进行涂层的耐蚀性研究，盐雾耐腐蚀试样尺寸100mm×50mm×3mm；依据H B5258进行中温氧化行为研究，中温腐蚀试样50mm×30mm×3mm，选取5个平行试样，记录试样增重的平均值；依据AS T M G99，采用MM W-1A型摩擦磨损试验机进行球-盘式摩擦磨损试验，记录涂层的摩擦系数和磨损失重情况；电化学试验试样尺寸为50mmх15mmх1mm，通过测量涂层在3.5%N aC l溶液中的电化学腐蚀行为来表征涂层的耐蚀性，电化学试验采用三电极系统，参考电极选用饱和甘汞电极，辅助电极选用碳棒，非测试区用3M胶带密封，测试区面积为1cm2，扫描速度为1m V/s，利用动电位极化曲线的Taf el区确定腐蚀电位和腐蚀电流密度，各试样表面光洁度为R a0.8。

2结果与讨论2.1喷涂粉末的形貌图1为WC-17C o粉末的扫描电子显微（SE M）图像，其中图1a为粉末的二次电子图谱，图1b为相应的背散射电子图像。

观察WC-17C o粉末的二次电子图像，可以看到粉末颗粒呈现不规则球形，内部较为松散，为典型的团聚烧结形貌，同时可以观测到较大的WC颗粒，如图1中箭头所示。

对比粉末的XR D图谱，可以发现粉末主要由WC相和少量C o相组成。

图1WC-17Co粉末的SEM图F i g.1SE M ima g e s o f t h e WC-17C o po w d e r（a）SE ima g e；（b）BSE ima g e2.2涂层的截面形貌与相组成图2为WC-17C o粉末及其涂层的XR D图谱，涂层主要有WC相和富C o相组成，且与粉末中WC相晶体结构保持一致。

对比涂层和粉末的XR D 图谱，可以发现涂层中出现W2C峰，这是由于在喷涂过程中WC相在高于1250℃发生脱碳反应造成的[4]。

W2C相为脆性相，降低涂层的各项性能[4-5]，在喷涂过程中应尽量降低WC相的分解。

同时可以发现相对于粉末中尖锐的C o峰，涂层中的C o峰呈现漫散状态，表明C o相在喷涂过程中存在一定的非（a）二次电子图谱（b）背散射电子图谱24··晶化转变，细致观察可以发现在涂层45（°）附近区域存在漫散峰，分析认为可能是W -C -C o 三元素形成的固溶体相。

涂层的截面SE M 图像如图3所示，可以看到超音速火焰喷涂WC -17C o 涂层组织均匀、致密。

金相法测得涂层的孔隙率为0.62%，涂层硬度均值为1159H V 。

图3中箭头所指白色亮点为WC 颗粒，其间浅灰色相为富C o 相。

涂层层状结构不明显，由于喷涂粉末中存在较多大颗粒WC ，在喷涂过程中熔点较低的C o 相发生熔化，喷涂过程中相互碰撞形成堆积层，而具有较大动能的未熔WC 颗粒打断了这种堆积嵌入到层间，从而在一定程度上减弱了层状结构。

图2两种粉末及其涂层的XRD 图谱F i g .2XR D ima g e s o f t h e t w o po w d e rsan d t h e ir c o a t in g s图3WC-17Co 涂层的截面SEM 照片F i g .3Cr o ss s e c t i o na l ima g e s o f WC -17C o c o a t in g 2.3涂层性能结果与分析2.3.1涂层电化学性能动电位扫描极化曲线如图4所示，采用Taf el 外推法确定腐蚀电位E c 和腐蚀电流密度，结果见表1所示。

可以发现WC -17C o 涂层腐蚀电位为-787m V ，M 152基体腐蚀电位为-269m V ，二者腐蚀电位的排序为基体＞涂层，前者腐蚀电流Ic 比后者大10倍，表明WC -17C o 涂层倾向于优先于基体发生腐蚀。

WC -17C o 涂层的电化学测试结果与其它文章中的结果基本一致[6-7]，考虑到基体和喷涂设备的差异，该测试结果是可信的。

图4涂层和M152的极化曲线F i g .4Pol ari z a t i o nc u r v e s o fWC -17C o c o a t in g an dM 152表1外推法测得的腐蚀参数Ta b le1C o rr o si o n p aram e t e rs e s t ima t e d fr o m t h epol ari z a t i o n c u r v e s .2.3.2涂层中性盐雾性能图5是中性盐雾试验试样表面的形貌演变图，右侧为M 152基体材料。

涂层试样在96h 时表面颜色发生了变化，有初始状态时的灰色逐渐变为灰绿色，同时可以发现M 152基体材料在96h 内即发生严重腐蚀，出现大量红锈。

涂层试样1600h 后仍未出现红色锈迹，试样表面粉红色物质为盐雾试验夹具表面产物滴落所致，如图中椭圆框所示，并非腐蚀产物，1600h 后试片表面依然未出现锈迹。

电化学测试的结果表明该涂层对于M 152基体为阳极型涂层。

腐蚀过程中，涂层中粘结相C o 元素先于基体发生腐蚀，生成富C o 的腐蚀产物，阻止腐蚀介质的进一步扩散，涂层表面呈灰绿色，因此M 152钢基体一直未出现红色锈点，从盐雾试验过P o t e n t i a l .U /VL o g (i)A /cm 2WC-17Co coatingsubstra te Ec/mV-787-269Ic/， ， ÁÂI n t e n s i t y2θ/（°）崔永静，等：M 152钢基体超音速火焰喷涂WC -17C o 涂层性能研究第3期25··热喷涂技术4卷程中涂层颜色发生变化也可以得到验证。