張業(yè)勤，丁小明，齊立春，黃利軍，張文強

不同粉末對TC27鈦合金超音速火焰噴涂耐磨涂層性能的影響

張業(yè)勤，丁小明，齊立春，黃利軍，張文強

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

對TC27鈦合金采用兩種不同粉末進行超音速火焰噴涂耐磨涂層，對比分析了不同粉末對耐磨涂層的顯微組織、孔隙率、顯微硬度、結合強度及彎曲性能的影響。結果表明，采用Diamalloy 2005NS（WC-17Co）制備的TC27鈦合金耐磨涂層顯微組織更均勻致密，孔隙率更小，僅為0.12%，顯微硬度更高，達到1 000HV0.3以上，且結合強度更高，彎曲性能好。

TC27鈦合金；超音速火焰噴涂；耐磨涂層；孔隙率

1 引言

TC27鈦合金[1]是北京航空材料研究院自主研發(fā)的一種新型高強高韌高淬透性近β型鈦合金，主要應用于航空航天及兵器行業(yè)重要承力部件，但因其表面硬度低、耐磨性差，大大限制了其使用范圍。超音速火焰噴涂技術是近年來發(fā)展的一種熱噴涂工藝[2-3]，可在鋼、鈦、鋁零件表面制備致密度高、結合強度高的金屬和金屬陶瓷涂層，尤其在噴涂WC高耐磨性能涂層方面具有極大的優(yōu)勢。目前，國內外對熱噴涂WC/Co系列涂層的研究最多，主要用于耐磨零件的保護 層[4-6]。本研究選用兩種不同成分的WC/Co系列粉末，在TC27鈦合金表面進行超音速火焰噴涂，制備耐磨涂層，對比分析了兩種不同粉末對耐磨涂層微觀結構及性能的影響。

2 實驗

2.1 實驗材料

基體材料為TC27鈦合金，噴涂材料選用Diamalloy 2005NS（WC-17Co）和Metco 5803[（WC12Co）-25（Ni Based Superalloy）]兩種碳化鎢粉末。彎曲試樣尺寸為25 mm× 100 mm×（1.0～1.5）mm，顯微組織、硬度試樣尺寸為 100 mm×25 mm×1 mm，結合強度試樣尺寸為Ф25.4 mm× 33 mm。

2.2 實驗方法

采用DJ2700型超音速噴涂（HVOF）設備制備耐磨涂層。噴涂前先用丙酮進行超聲波清洗，再用46目的棕剛玉磨料進行表面噴砂處理，然后采用壓縮空氣除掉基體表面鑲嵌的砂粒。采用FEI Quanta 600型電子掃描顯微鏡觀察涂層的顯微組織，采用灰度法測試涂層的孔隙率，采用STRUERS Duramin顯微硬度儀測試顯微硬度，載荷300 g，加載時間不小于15 s，每個試樣至少測10點。在彎曲試樣上噴涂厚度為100～150 μm的涂層，將試樣繞直徑為12.7～13 mm的棒彎曲成180°夾角，涂層面向外面，彎曲速度約10°/s，目視檢查涂層是否開裂、脫皮、剝落或與襯底分離，評估涂層的彎曲結合力。結合強度測試參照ASTM C633-01中規(guī)定的拉伸實驗法進行，結合強度試驗所用的粘接劑是FM1000膠。

3 實驗結果與分析

3.1 涂層的顯微組織及孔隙率

兩種涂層的掃描電鏡形貌如圖1所示，可以看出涂層均為典型的層狀結構，并與基體結合緊密。圖1（a）為Diamalloy 2005NS涂層的顯微組織照片，涂層內部組織均勻、致密，無明顯缺陷。圖1（b）為噴涂Metco 5803涂層的顯微組織照片，涂層內部組織均勻、致密，但涂層組織局部有明顯孔洞存在。采用灰度法測試兩種涂層的孔隙率，Diamalloy 2005NS涂層的孔隙率為0.12%，Metco 5803涂層的孔隙率為0.65%，由此說明采用Diamalloy 2005NS噴涂可獲得更為均勻致密的涂層。

圖1 兩種涂層的截面形貌圖

3.2 涂層的顯微硬度

兩種涂層的硬度如表1所示。兩種涂層硬度值分布較為均勻，個別位置顯微硬度值較低，是測量位置中包含孔隙造成的。

由表1可以看出，兩種涂層的平均顯微硬度均較高，其中Diamalloy 2005NS涂層的平均顯微硬為1 055HV0.3，高于Metco 5803涂層的均值986HV0.3。

表1 兩種涂層的硬度

涂層HV0.3平均值 12345678910 Diamalloy 2005NS1 2421 0251 1579829581 0719761 0431 1069941 055 Metco 58039879929069249901 0719761 0431 006964986

3.3 涂層的結合強度

兩種涂層的結合強度值如表2所示。由表2可以看出，Diamalloy 2005NS涂層的平均結合強度為85.40 MPa，高于Metco 5803涂層的平均結合強度79.04 MPa。

表2 兩種涂層的結合強度

涂層結合強度/MPa平均值 123 Diamalloy 2005NS85.9783.1887.0485.40 Metco 580381.8676.1379.1479.04

3.4 涂層的彎曲性能

通過涂層試樣的彎曲實驗可以定性分析涂層與基體之間的彎曲結合力。兩種涂層試樣彎曲后的形貌如圖2所示。由圖2可以看出，Diamalloy 2005NS涂層試樣彎曲后涂層彎曲部位未出現(xiàn)涂層剝落或涂層與基體分離，僅彎曲部位涂層出現(xiàn)均勻細小的開裂；Metco 5803涂層試樣彎曲后涂層彎曲部位未出現(xiàn)涂層剝落或涂層與基體分離，但試樣邊緣部位涂層出現(xiàn)不均勻裂紋。

圖2 兩種涂層的彎曲形貌圖

4 結論

通過對比Diamalloy 2005NS（WC-17Co）和Metco 5803[（WC12Co）-25（Ni Based Superalloy）]兩種碳化鎢涂層的顯微組織、孔隙率、顯微硬度、結合強度、彎曲性能，可以看出，兩種粉末制備的涂層均具有較好的性能，但Diamalloy 2005NS（WC-17Co）各方面均明顯優(yōu)于Metco 5803[（WC12Co）-25（Ni Based Superalloy）]涂層。采用Diamalloy 2005NS（WC-17Co）制備的TC27鈦合金耐磨涂層顯微組織更均勻致密，孔隙率更小，顯微硬度更高，結合強度更高，彎曲性能更好。

［1］張業(yè)勤，沙愛學，黃利軍，等.一種新型高強高韌TC27鈦合金的高溫變形行為研究［J］.科技導報，2014，32（24）：25-29.

［2］刁望勛，王志雄，高俊國，等.不同工藝粉末對超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層性能的影響［J］.航空材料學報，2013，3（33）：39-45.

［3］張歡歡，易俊蘭，郭孟秋，等.粉末粒度對超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層性能的影響［J］.熱噴涂技術，2016，3（8）：37-42.

［4］張燕，張行，劉朝輝，等.熱噴涂技術與熱噴涂材料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.裝備環(huán)境工程，2013，3（10）：59-62.

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TG174.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.032

2095－6835（2020）09－0084－02

張業(yè)勤（1986—），女，碩士，工程師，研究方向為飛機金屬結構材料。

〔編輯：嚴麗琴〕