添加剂铜在等离子喷涂WC

1、添加剂铜在等离子喷涂WC论文导读：目前的研究结果说明，改善等离子喷涂WC涂层的性能主要是通过设计制造新型喷枪、调整各种喷涂工艺参数等方式，而对于在热喷涂WC粉末中添加其他粉末对涂层性能的影响的研究目前国内还没有。添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂层的金相组织，下部是基体，中间是涂层，上部有局部镶嵌料。随着添加铜的增加，涂层组织越致密，涂层孔隙率越低，而且涂层中孔隙的尺寸明显减小。关键词：等离子喷涂，WC-12Co涂层，添加剂铜，孔隙1 引言热喷涂WC-Co涂层具有较高的硬度和耐磨性，广泛地应用于提高基体金属耐磨性的许多领域。WC-Co涂层既有六方晶体结构的金属钴作为粘结相，又有硬度很

2、高的碳化钨陶瓷颗粒作为硬质相，因而显示出优异的抗粘着磨损性能【1】。等离子喷涂技术由于涂层性能良好、适用范围广、本钱低等优点在材料外表工程方面获得了广泛的应用。然而由于等离子喷涂工艺自身的原因，涂层内部会存在孔隙，使涂层综合力学性能下降，易造成涂层失效，因此研究等离子涂层的孔隙是等离子涂层的关键问题之一【2】。另外由于等离子喷涂时的焰流温度高，热量集中，WC受热易发生分解脱碳，尤其在大气环境中。目前的研究结果说明，改善等离子喷涂WC涂层的性能主要是通过设计制造新型喷枪、调整各种喷涂工艺参数等方式，而对于在热喷涂WC粉末中添加其他粉末对涂层性能的影响的研究目前国内还没有。本文对在WC粉末中添加一

3、定量的铜粉，采用等离子喷涂技术制备的涂层进行了研究，主要对添加铜后的涂层的显微结构进行表征，测试添加铜粉后涂层的显微硬度，探讨添加铜在WC-12Co粉末涂层中的作用机理等。2 实验材料与方法等离子喷涂粉末选用两种，陶瓷粉末WC-12Co其中粘结剂Co的质量百分比为12%，粒度为45m75m，该粉末是烧结破碎粉，呈粗糙的棱角形状，颗粒内部较致密，大量WC颗粒分布在Co粘结剂中，相组成为主相WC和少量的金属Co；添加剂粉末选用电解铜Cu180，粒度为45m75m。喷涂粉末利用上述两种粉末按体积百分数机械混合获得，其中Cu180分别占喷涂粉末总体积的5%、10%、15%、20%即5%Cu-WC-12

4、Co、10%Cu-WC-12Co、15%Cu-WC-12Co、20%Cu-WC-12Co。试样基体材料选用45#钢，尺寸为20mmx15mmx4mm，喷涂前对待喷涂外表进行喷砂粗化和清洗处理。喷涂设备采用大连海事大学自行研制开发的一种低功率2.5kW15.0kW等离子喷涂设备Plasma LE-15，采用表1所示的等离子喷涂工艺参数制备涂层。使用MH-6维氏硬度仪测量涂层截面的显微硬度HV0.3(载荷300gf、压头作用时间5s)，使用OLYMPUS GX51型金相显微镜观察涂层的截表1 喷涂工艺参数 主气 Ar流量 (L/min) 次级气 H2流量 (L/min) 送粉气 N2流量 (L/m

5、in) 电流 (A) 电压 (V) 功率 (kW) 送粉量 (g/min) 喷涂 距离 (mm) 27.5 5.0 12.6 175 48 8.4 30 70 3 实验结果与讨论3.1 涂层截面的金相组织和显微硬度添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂层的金相组织，下部是基体，中间是涂层，上部有局部镶嵌料；涂层中纯黑色、大小不一的孔状物质，是涂层中的气孔；涂层中浅黄色的局部就是铜，有些黑色带有黄色的物质是铜的氧化物氧化铜和氧化亚铜。随着添加铜的增加，涂层组织越致密，涂层孔隙率越低，而且涂层中孔隙的尺寸明显减小。因此添加铜对WC-12Co涂层的孔隙有很大影响，可以极大的改善涂层的致密程度，

6、促进涂层颗粒间的结合更紧密。添加不同含量的Cu180粉的WC-12Co涂层的显微硬度，随着喷涂粉末中铜含量的增多，涂层的硬度降低。涂层是由变形颗粒、孔隙和氧化物所组成，涂层的显微硬度受到孔隙率、粒子间结合程度和硬质相含量及分布的共同影响。由于涂层结构的特殊性，使得孔隙率对硬度的影响较大，一般情况对于同种涂层表现为孔隙率降低时硬度随之增加；Co的熔融程度影响WC粒子间结合的牢固程度，如果没有Co的粘结作用，WC粒子很容易被外力打碎，使涂层表现出较大的脆性和较低的硬度；涂层中硬质相数量越多、分布越均匀、硬质相中WC含量越多，硬质相颗粒间距离越小，那么涂层显微硬度越高。由于铜的硬度低，随着铜含量的增

7、加虽然孔隙率明显下降，涂层更加致密，但涂层中硬质相也因铜含量的增多而减少，涂层孔隙率的降低缺乏以弥补添加铜导致涂层中硬质相的减少对涂层显微硬度的影响，因此随着涂层的显微硬度随着铜含量的增多而降低。3.2 涂层的相组成影响WC脱碳分解的主要因素是温度、喷涂颗粒的高温停留时间和颗粒飞行过程中的氧化性环境【3】。通过以下措施可以抑制WC的分解：降低喷涂热源温度；增加喷涂颗粒速度；提供非氧化的环境【4】。添加铜相当于第三种方式即降低喷涂环境的氧化性。WC-12Co涂层的相组成为WC+W2C+W，其中WC为主相；添加Cu180粉后，涂层的相组成为WC+W2C+Cu2O+CuO，其中WC为主相。论文参考网

8、。随着铜含量的增多，涂层中WC、W2C相的衍射峰强度降低，Cu2O、CuO相的衍射峰强度升高，单质W相消失。等离子喷涂实验是在敞开的大气环境中进行，根据流体力学原理，高速等离子射流从喷嘴喷出时，会在射流边缘形成一定的负压，抽吸周围的空气并卷入到等离子射流中，与射流中的等离子气发生混合，使等离子射流的气体成分发生变化，成为混有相当多空气的高温氧化性气流【5】。WC-12Co和Cu180的混合粉末在等离子焰中被加热，Nerz等人提出当WC-Co喷涂粉末被加热时发生下面两个反响，并且温度越高，脱碳越严重。2WCW2C+C(1)W2C2W+C(2)与此同时也可能发生下面两个反响：一是由于碳势的存在，碳

9、将从液相Co内向外扩散并与在液相和射流气体界面处的氧反响；二是射流中的氧扩散进入熔化粒子的边缘与碳作用生成CO。但由于喷涂粉末中还有铜粉，而且铜的熔点低为1083，与Co相近，在等离子焰流中随着温度的升高很短的时间就开始熔化。由于工作气体中卷入的氧气，同时还伴随有氧化反响，铜的氧化反响过程是CuCu2OCuO，在热力学上是逐级反响，但不能显示出逐级反响的动力学过程，这是由于两个反响混合在一起进行所造成的【6】。论文参考网。4Cu+O22Cu2O(3)2Cu2O+O24CuO(4)在WC-Co粉末中添加了Cu180，Cu180在喷涂过程中与等离子焰流中的氧反响，致使与WC熔滴外壳上的碳反响的氧较

10、少，相对于单独喷涂WC-Co粉末弥散于熔滴外壳的碳含量增多，而化学反响均是可逆的，导致WC脱碳反响中W2C向W的反响受阻，减少涂层中W的含量；同时由于W2C分解的受阻，熔滴外壳W2C的含量增多，又进一步抑制了WC的分解。3.3 添加剂铜的作用机理讨论涂层形成是一个颇为复杂的、带相变的流动与传热过程【7】。由于外表张力的作用，高速喷射加热到熔融状态的颗粒在到达工件前通常可认为是球形，撞击到基体或已固化的涂层外表时，熔滴因动能的冲击压力而变形、润湿、铺展，液态颗粒迅速变形并摊开成薄圆片，称之为摊片;，最后凝固冷却形成碟形或薄饼形的变形颗粒。喷涂熔滴对基体的碰撞、变形与堆积，在颗粒与颗粒之间，颗粒与

11、基体粗糙外表之间，颗粒片层与片层结构之间，都可能未被熔体填充满而产生孔隙，孔隙与片层状结构那么直接导致陶瓷涂层力学性能的弱化。图1中，a、b为WC颗粒撞击到基体外表的扁平化形貌，c、d为Cu颗粒撞击到基体外表的扁平化形貌。图6a中WC颗粒处于半熔化状态，只有外表几处尖角处熔融呈现出球形面，而且颗粒间有孔洞，这是在造粒过程中由于脱胶而形成的疏松结构，而1b中的颗粒熔化完全，撞击到基体外表后摊开形成薄圆片。图1c、1d中Cu颗粒均熔化完全，在外表摊开成薄圆片状，其中1c中可以发现摊片局部外表上有层深色物质，这是铜的氧化物氧化铜及氧化亚铜，这就解释了在含有铜的涂层的金相组织中存在的一些深色但有带有黄

12、色的物质就是铜以及其氧化物的混合物；图1d中的摊片还呈现出流散状，这是因为铜的熔点低，液态铜的流动性好，在等离子焰流中熔化充分，而且获得的动能也大，颗粒扁平化充分。图2为WC-12Co和20%Cu-WC-12Co涂层的断口SEM形貌。论文参考网。涂层在外力作用下自然断裂，图中分布有许多小坑，这说明涂层在外力的作用下其最脆弱的连接处是颗粒与颗粒之间。图2a中WC-12Co涂层组织疏松，存在较大尺寸的孔隙；图2b中20%Cu-WC-12Co涂层组织致密，孔隙减少，而且孔隙尺寸也减小，并且分布相对均匀。铜相对于碳化钨来说外表活性大，熔滴的外表张力小，液态粘度低，熔化粒子的流动性好，因此与基体以及已凝

13、固的颗粒润湿效果好，又由于其熔点低，在喷涂过程中熔化充分，熔融状态好，其熔滴在碰到基材或先沉积的涂层时，变形剧烈，铺展性好，涂层熔滴间接触点更多，可以填充到之前沉积的孔隙处。同时由于基体是金属材料而碳化钨是陶瓷材料，添加金属铜也使碳化钨涂层与基体的热膨胀系数相差减小，有利于降低涂层的内应力。4 结论添加铜后，WC-12Co涂层随着铜含量的增多组织更加致密，但显微硬度随之降低。添加铜后，涂层主要成分是WC及其脱碳产物W2C以及铜的氧化物Cu2O、CuO。由于铜的氧化反响导致与WC脱碳产生的碳反响的氧减少，致使碳含量增多，对WC的脱碳起到了一定的抑制作用，涂层中单质W消失。铜由于其熔点低，外表活性好，粒子尺寸小，外表张力小，液态粘度低，润湿效果好，具有很好的流动性，填充到涂层形成过程中颗粒间的孔隙中，起到降低涂层孔隙率的作用。图1 WC(a)(b)和Cu(c)(d)颗粒的扁平化形态图2 WC-12Co(a)和20%Cu-WC-12Co(b)涂层的断口SEM形貌参考文献【1】 李博宇.等离子喷涂纳米结