王 楓,朱暉朝,陳志坤,鄧春明

(廣州有色金屬研究院,廣東 廣州 510650)

采用HVAF與HVOF工藝制備的NiCr-25%Cr3C2涂層的結(jié)構和性能表征

(廣州有色金屬研究院,廣東 廣州 510650)

分別采用 HVA F和HVOF工藝制備了NiCr-25%Cr3C2涂層,對兩種方法所制備的涂層的顯微組織、硬度、孔隙率及摩擦磨損性能進行了表征.從涂層的微觀結(jié)構和磨損機理方面分析了兩種涂層的耐磨損性能不同的原因.研究結(jié)果表明,與 HVA F涂層相比,HVOF噴涂時由于火焰溫度和焰流速度較高,制備的NiCr-25%Cr3C2涂層更均勻和致密,孔隙率和表面粗糙度較低,硬度更高.HVAF涂層中碳化鉻的剝落與犁溝均較明顯,耐磨性能較差.

HVAF;HVOF;NiCr-Cr3C2;耐磨性

NiCr-Cr3C2是目前應用最廣泛的金屬陶瓷復合材料之一.NiCr具有優(yōu)良的耐熱、抗高溫氧化和耐腐蝕性能,Cr3C2具有較高的硬度和抗高溫氧化性能良好.NiCr-Cr3C2涂層在900℃以下具有優(yōu)良的抗高溫氧化、抗高溫氣流或微粒沖蝕磨損和硬面磨損性能[1-3],被廣泛應用于連鑄連軋軋輥和中溫退火爐爐內(nèi)輥的耐磨涂層、航空渦輪發(fā)動機的渦輪葉片耐高溫沖蝕磨損涂層、火力發(fā)電廠的燃煤爐耐高溫燃氣沖蝕磨損涂層[3-5].

熱噴涂是制備NiCr-Cr3C2涂層的重要手段.目前,工業(yè)上制備NiCr-Cr3C2涂層采用最多的熱噴涂方法是 HVAF(High Velocity Air-Fuel Sp raying)和HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Sp raying).本文分別采用HVA F和HVOF制備NiCr-25%Cr3C2涂層,分析研究兩種涂層的磨損性能和磨損機理,為工程設計、應用超音速火焰噴涂NiCr-25%Cr3C2涂層提供科學依據(jù).

1 試驗方法與表征

1.1 試驗方法

試驗采用粒度為(-45+15)μm的NiCr-25%Cr3C2熱噴涂粉末,粉末形貌如圖1所示.基體為45號鋼,尺寸為100 mm×50 mm×3 mm.

圖1 NiCr-25%Cr3 C2粉末形貌Fig.1 Morphologiesof NiCr-25%Cr3 C2 pow der

噴涂設備采用美國UniqueCoat Technology公司生產(chǎn)的 Intelli-Jet AC-HVAF系統(tǒng)和德國 GTV公司生產(chǎn)的 HVOF系統(tǒng).HVA F噴涂選用 SB250噴槍,HVOF噴涂選用 K2噴槍.HVAF系統(tǒng)采用壓縮空氣作為助燃劑,丙烯為燃料,火焰溫度在1300℃左右,焰流速度可以達到800～900 m/s.HVOF噴涂系統(tǒng)使用煤油作為燃料,與氧氣充分混合后,燃燒室壓力可以達到0.9 M Pa以上,火焰溫度最高可達2600℃,焰流溫度在1800℃左右,焰流速度可以達到2000 m/s.

HVA F噴涂時空氣壓力為0.6 M Pa,丙烯壓力為0.5 M Pa,噴距170 mm.HVOF噴涂時,煤油流量為26 L/h,氧氣流量為900 L/min,氮氣流量為9 L/min,噴距 380 mm.

1.2 表 征

采用Leica DM IRM金相顯微鏡和JSM 5910 SEM掃描電子顯微鏡對試樣橫截面顯微組織形貌進行觀察和分析.采用M H-5D數(shù)字顯微維氏硬度計測試涂層的顯微硬度,載荷為2.94N,加載時間為15 s.

涂層的耐磨性能試驗在日本SUGA輪式磨耗試驗機上進行,選用320號 SiC砂紙帶,壓力為20 N,往復頻率為40次/min.砂紙輪轉(zhuǎn)動一周,往復磨損400回,一輪磨損完成,更換砂紙.用 HVAF和HVOF制備兩組 NiCr-25%Cr3C2涂層樣品,每個樣品磨損5輪,取平均值.每次摩擦磨損試驗后,在丙酮中用超聲波清洗試樣,用精度為0.1 mg的分析天平測量磨損失重ΔW.

采用Dsier公司生產(chǎn)的 Sp rayw atch 3i系統(tǒng)分別對 HVA F和 HVOF噴涂過程中粒子溫度和粒子速度進行實時檢測.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微結(jié)構分析

HVAF和 HVOF NiCr-25%Cr3C2涂層的剖面形貌如圖2所示.由圖2可見,兩種涂層均致密均勻,涂層與基體結(jié)合緊密.采用LeiCa DM IM R自帶的圖像分析系統(tǒng)測得 HVAF涂層的孔隙率為1.29%,HVOF涂層的孔隙率為1.04%.高倍觀察發(fā)現(xiàn),涂層中黑色的Cr3C2硬質(zhì)相均勻地分布于NiCr粘結(jié)相中,粘結(jié)相和硬質(zhì)相結(jié)合良好.對比兩種涂層可知,HVA F涂層中的孔隙較多,這些孔隙主要分布于粘結(jié)相和硬質(zhì)相的界面,使粘結(jié)相與硬質(zhì)相的結(jié)合力降低,因此,HVAF涂層中粘結(jié)相與硬質(zhì)相的結(jié)合比HVOF涂層的差.

圖2 HVAF涂層(a)(c)和 HVOF涂層(b)(d)剖面形貌圖Fig.2 Cross-sectional images fo r HVAF and HVOF coatings

用Sp raywatch 3i系統(tǒng)檢測 HVAF和 HVOF噴涂時粒子速度和粒子溫度,結(jié)果列于表1.由表1可見,HVOF噴涂時粒子的速度明顯大于 HVAF噴涂時粒子的速度.HVOF的粒子溫度也高于HVA F的粒子溫度.由于在噴涂過程中,HVA F的火焰溫度和焰流速度均比 HVOF的低.所以HVOF噴涂時能夠使NiCr顆粒熔化更充分,較高的焰流速度也可使熔化的NiCr顆粒在轟擊鑲嵌到基體表層時具有更大的動能,從而使粒子的鋪展、變形更充分,涂層更加致密均勻.HVOF的Cr3C2粒子也具有較高的動能,在轟擊到NiCr粒子時,粘結(jié)結(jié)合得更緊密.

表1 Sp rayw atch 3i系統(tǒng)實時檢測數(shù)據(jù)Table 1 Real timemeasurement data of Spraywatch 3i system

圖3和圖4分別為 HVAF和 HVOF涂層的X射線衍射圖譜.由圖3和圖4可以看出,NiCr-25%Cr3C2涂層中有Cr7C3相,這是在噴涂過程中由Cr3C2顆粒受熱分解脫碳而生成的.鉻的碳化物均勻地分布在NiCr粒子上,提高了涂層的硬度與耐磨性.

HVAF涂層的表面粗糙度為 Ra 4.16μm,HVOF涂層的表面粗糙度為 Ra 3.07μm,由此可見,HVOF涂層的表面更光滑.圖5是 HVA F涂層和HVOF涂層表面SEM形貌圖.由圖5可以看出,HVOF涂層表面細密光滑,氣孔較少,而 HVAF涂層表面的孔隙較多較大,這也和其較大的表面粗糙度相對應.

圖3 HVAF NiCr-25%Cr3 C2涂層XRD譜圖Fig.3 XRD pattern of the HVAF NiCr-25%Cr3 C2 layer

圖4 HVOF NiCr-25%Cr3 C2涂層XRD譜圖Fig.4 XRD pattern of the HVOF NiCr-25%Cr3 C2 layer

圖5 涂層的表層SEM形貌圖(a)HVAF涂層;(b)HVOF涂層Fig.5 SEM images show ing mo rphologies of the layer surface(a)HVAF coating;(b)HVOF coating

2.2 顯微硬度和耐磨性能分析

用M H-5D型數(shù)字顯微維氏硬度度儀測得HVAF涂層的顯微硬度 Hv0.3897,HVOF涂層的顯微硬度 Hv0.3965.由于 HVOF涂層中充分熔融的NiCr與硬質(zhì)相結(jié)合良好,涂層的孔隙率較低,所以它的顯微硬度較高.

在相同磨損條件下,兩種涂層的磨損量列于表2.由表2可見,HVOF涂層的磨損量小于 HVAF涂層的磨損量.HVOF涂層的平均磨損量為 HVAF涂層磨損量的70%,表明 HVOF涂層具有更高的耐磨損性能,這也和涂層硬度的結(jié)論相符.

表2 涂層的摩擦磨損試驗磨損量Table 2 Wear weight loss of the layer

圖6為 HVAF和 HVOF涂層摩擦磨損后的磨痕形貌.由圖6可見,兩種涂層磨損面上均有大量的犁溝,這是由于在摩擦過程中,沙粒不斷犁削涂層表面所形成的.在 HVAF涂層中可明顯地看到涂層中有較多的粘著物和凹坑,劃痕較多較深(圖6(a)).而HVOF涂層中的粘著物較少,凹坑和空洞較少,劃痕較淺(圖6(b)).能譜分析結(jié)果表明,磨痕處粘著物主要為NiCr,凹坑是Cr3C2顆粒從涂層中脫落后所形成的.

圖6 涂層磨損表面SEM形貌圖(a)HVA F涂層;(b)HVOF涂層Fig.6 SEM images fo r wo rn surfaces of the layer(a)HVAF coating;(b)HVOF coating

涂層的磨損性能與涂層內(nèi)部顆粒的結(jié)合狀況密切相關,而在噴涂過程中,噴涂速度、火焰溫度又直接對涂層顆粒產(chǎn)生影響[6-7].HVA F噴涂具有較低的火焰溫度和焰流速度.NiCr粒子的熔化程度較差,而較大的Cr3C2顆粒,以高速轟擊鑲嵌在前涂層或NiCr粒子時,與 NiCr的結(jié)合力較小,在磨擦時容易從從涂層中脫落,從而在磨損表面形成凹坑.由HVAF涂層的剖面(圖2(c))可見,粘結(jié)相與硬質(zhì)相的界面存在較多的孔隙,這些孔隙削弱了硬質(zhì)相與粘結(jié)相的粘結(jié)性能.

3 結(jié) 論

(1)HVAF和 HVOF都能獲得具有較高致密度、較高硬度的NiCr-25%Cr3C2涂層.

(2)由于充分熔融的NiCr粘結(jié)相和Cr3C2硬質(zhì)相有較高的結(jié)合力,HVOF可以獲得顯微硬度更高、耐磨性能更好、表面粗糙度更低、更致密的NiCr-25%Cr3C2涂層.而 HVAF涂層中在粘結(jié)相與硬質(zhì)相界面存在較多孔隙.

(3)兩種NiCr-25%Cr3C2涂層磨損形式均為磨粒磨損.HVOF NiCr-25%Cr3C2涂層的耐磨性能明顯好于 HVAF NiCr-25%Cr3C2涂層,其磨損量約為HVAF NiCr-25%Cr3C2涂層的70%.

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M icrostructural and properties of NiCr-25%Cr3C2coating prepared by HVAF and HVOF process

WANG Feng,ZHU Hui-chao,CHEN Zhi-kun,DENG Chun-ming
(Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M eta ls,Guangzhou 510650,China)

In this paper,NiCr-25%Cr3C2coatingsw ere p repared by high velocity air fuel(HVA F)and high velocity oxy fuel(HVAF)p rocess respectively.The microstructure,hardness,porosity and wear resistance for both NiCr-25%Cr3C2coatingswere investigated,and the different wear resistance for the coatings was exp lored f rom microstructural observation and wearmechanism.The result showed that the relatively higher temperature and higher particle velocity fo r HVOF p rocess than HVA F p rocess led to mo re effective melting of NiCr adhesive phase,better uniform microstructure,lower porosity and surface roughness and finally higher m icrohardness.HVA F NiCr-25%Cr3C2coating exhibited wo rse w ear resistance due to the delamination of Cr3C2hard phase and deeper wear scar.

HVA F;HVOF;NiCr-Cr3C2;w ear resistance

TG174.442

A

1673-9981(2010)03-0202-05

2010-06-01

王楓(1973—),男,江蘇江都人,工程師.