趙 利,宋進兵,佟 鑫

廣東省工業(yè)技術研究院(廣州有色金屬研究院),廣東廣州510650

碳化鎢涂層耐熱性能的研究

趙 利,宋進兵,佟 鑫

廣東省工業(yè)技術研究院(廣州有色金屬研究院),廣東廣州510650

研究了采用WC-10Co4Cr粉末和在WC-10Co4Cr粉末中添加35%(質量分數),粒徑為15～45 μm的納米晶不銹鋼粉末,在304不銹鋼板上噴涂涂層的耐熱性能.對800℃,2 h熱腐蝕前后涂層的宏觀與微觀形貌進行了分析與表征.結果表明,熱腐蝕后WC-10Co4Cr涂層嚴重氧化,出現了大面積的崩裂;而加入35%(質量分數)不銹鋼粉末的WC-10Co4Cr涂層表面在相同的試驗條件下未發(fā)生變化,含納米晶不銹鋼粉末的涂層耐氧化性能顯著提高.

WC涂層;耐熱試驗;X射線衍射

WC涂層雖然具有較高的耐磨性,但由于其只適用于540℃以下,因而它的使用范圍受到了一定的限制.近年來,國外出現了一種能提高碳化鎢涂層性能的制備方法[1],這種新型涂層的制備方法是在碳化鎢粉末中添加非晶或納米晶合金粉末,利用非晶和納米晶合金價格低、耐磨性好的特點,提高涂層的耐蝕性和韌性,并降低涂層的制備成本.本文通過在WC-10Co4Cr粉末中添加一定量的納米晶不銹鋼粉末,改善了WC涂層的耐熱性能.

1 實驗方法

試樣的基體材料為304不銹鋼.試樣表面先經丙酮除油,再用120號白剛玉砂在0.30～0.35 M Pa下進行噴砂處理.噴砂處理后試樣的表面粗糙度 R a 2～3μm.

試驗了兩種涂層的耐熱性能,一種涂層是以粒徑為10～38μm的 WC-10Co4Cr粉末為原料制備的(以下簡稱涂層1),另一種涂層是以在涂層1的粉末中添加35%(質量分數)的15～45μm納米晶不銹鋼粉末(機械混合)為原料制備的(以下簡稱涂層2).兩種涂層均采用 HVOF(超音速火焰噴涂)工藝制備,噴涂設備為德國 GTV公司生產的超音速火焰噴涂系統(tǒng).涂層的制備工藝參數列于表1.

表1 HVOF噴涂工藝參數Table 1 Technical parameters of HVOF

將所制備的兩種涂層放入800℃的馬弗爐中進行耐熱性能測試.在試驗過程中每30 min打開一次馬弗爐交換氣氛,保溫2 h.試驗完畢后,試樣隨爐冷卻.

采用D/max-IIIA型X射線衍射儀分析粉末及涂層在熱腐蝕前后相結構的變化.

2 實驗結果與討論

2.1 粉末的X射線衍射分析

噴涂粉末的X射線衍射結果如圖1所示.由圖1(a)可見,WC-10Co4Cr粉末中大部分為 WC相,還有少量的W2C相和未合金化的Co相.圖1(b)中只見非晶產生的寬化的饅頭峰,因此,納米不銹鋼粉末應是以非晶玻璃的形態(tài)存在.另外,由圖1可見,不銹鋼粉末的衍射信號強度比 WC粉末的信號強度弱.

圖1 粉末的X射線衍射圖(a)WC-10Co4Cr粉末;(b)不銹鋼粉末Fig.1 X-ray diffraction pattern of the pow der(a)WC-10Co4Cr pow der;(b)stainless steel pow der

2.2 涂層的X射線衍射分析

涂層的X射線衍射結果如圖2所示.由圖2可見,涂層中WC相分解生成的W2C相明顯比粉末中的多;而在粉末的衍射圖(圖1(a))中Co衍射峰的區(qū)域在涂層的衍射圖中變成了寬化的饅頭狀,說明涂層中存在一定量的非晶成分,可能是 WC與Co等反應的結果.

圖2 涂層的X射線衍射圖(a)涂層1;(b)涂層2Fig.2 X-ray diffraction pattern of the coating(a)coating 1;(b)coating 2

由圖2可見,兩個涂層的衍射峰非常相似,加入的納米晶不銹鋼相在圖2(b)上沒有顯示出來,這是由于它的衍射信號太弱,基本上被WC或W2C相的衍射信號所遮蔽.

2.3 耐熱測試

圖3為經800℃,2 h熱腐蝕試驗后涂層的宏觀形貌.由圖3可見,涂層1發(fā)生了嚴重的氧化,涂層大塊崩裂、剝落;而涂層2的表面完整,未見任何剝落.因此,從涂層外觀判斷,在噴涂粉末中加入納米晶不銹鋼粉末可改善WC-10Co4Cr涂層的耐熱性能.

圖3 耐熱試驗后涂層的宏觀形貌Fig.3 Macrograph of the coatings after thermal testing

2.4 熱腐蝕后涂層的X射線衍射分析

圖4是涂層經800℃,2 h耐熱試驗后的X射線衍射圖.由圖4可見,涂層1中有大量的 WO3和CoWO4等氧化物.而涂層2中幾乎只有 CoWO4相,沒有顯現 WC相及其他氧化產物的峰.這可以解釋為:在加熱過程中,納米晶不銹鋼中的納米相擴散到較為疏松的WC-CoCr相后使涂層2在氧化后生成了致密的CoWO4相,遮蓋了其他相的 X射線衍射信號.

2.5 討 論

由于納米晶不銹鋼粉末的加入,涂層2中的WC-CoCr相經氧化后大部分都生成了致密的Co-WO4相,而原來涂層2中的其它相全部變成非晶相,這些相在800℃,2 h的耐熱試驗后涂層2的X射線衍射圖中無法顯現.

由于摻入的不銹鋼粉末為納米晶,粒徑非常小,在涂層中容易擴散,因此,涂層2中的孔隙大大減少.而涂層1由于孔隙率高,受熱時熱量通過孔隙迅速傳播,加劇了涂層的氧化,耐熱試驗后,涂層1中出現了大量的WO3,CoWO4等氧化物,這些氧化物之間的粘合能力很差,導致涂層出現大面積的崩裂和脫落.由此可見,在噴涂粉末中摻入納米晶不銹鋼粉末能大大提高WC涂層的耐熱性能.

圖4 耐熱試驗后的X射線衍射圖(a)涂層1;(b)涂層2Fig.4 XRD pattern of the coatings after thermal testing(a)coating 1;(b)coating 2

3 結 論

經過800℃,2 h耐熱試驗后,WC-10Co4Cr涂層出現了大面積的崩裂和脫落,而添加了35%(質量分數),粒徑為15～45μm的納米晶不銹鋼粉末的WC涂層表面未發(fā)生變化.

[1]DAV ISJ R.Handbook of thermal sp ray technology[M].Ohio:ASM International,2004:5.

Study on thermal resistance of WC coating

ZHAO Li,SONG Jinbing,TONG Xin
Guangdong Genera l Research Institute of Industria l Technology(Guangzhou Research Institute of N onferrous M etals),Guangzhou 510650,China

Thermal resistance of sp ray coatings fabricated respectively by WC-10Co4Cr pow der and WC-10Co4Cr pow der w ith 35%(w t%)nanocrystalline stainless steel pow der(15-45μm in diameter)on 304 stainless steel substrate w as studied.M acroscopical and microcosmic surface characteristicsof the coatings befo re and after thermal tests at 800℃fo r 2 hours w ere investigated and compared.The results indicated that WC-10Co4Cr coating was badly oxidized w ith big area crack after thermal testing;however,under the same experimental condition none changesoccurred at the surface of the coating w hich was formed by WC-10Co4Cr pow der w ith addition of 35%(w t%)nanocrystalline stainless steel pow der,and its oxygen resistance imp roved obviously.

WC coating;thermal resistance test;X-ray diffraction

TG174.44

A

1673-9981(2011)02-0109-04

2011-04-13

趙利(1977—),女,陜西西安人,工程師,本科.