趙艷艷

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

熱噴涂WC-Co涂層憑借良好的性能優(yōu)勢(shì)在諸多行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?；占芭c應(yīng)用[1-3]。概括來(lái)講，等離子噴涂技術(shù)具有適用廣、投入少等顯著優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而受到了各界人士的高度認(rèn)可與極力推崇。而等離子噴涂制備涂層的產(chǎn)生孔隙，會(huì)直接影響涂層組織性能，成為該類(lèi)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一[5]?，F(xiàn)有結(jié)果已明確證實(shí)，可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)、研發(fā)新噴槍等多種方法來(lái)提高涂層性能，但通過(guò)添加粉末這種方法來(lái)改善WC涂層性能的研究在我國(guó)還處于空白狀態(tài)。對(duì)此，在本課題研究中，筆者將銅粉與WC粉末混合，通過(guò)專(zhuān)業(yè)且成熟的等離子噴涂技術(shù)制取涂層，在此基礎(chǔ)上，對(duì)涂層的組織特征和硬度變化進(jìn)行全面、仔細(xì)的觀察與分析，旨在探討出銅在WC-12Co涂層發(fā)揮的成效作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

在本實(shí)驗(yàn)中，筆者使用了兩種不同性質(zhì)的粉末，一種是陶瓷粉末WC-Co（其中Co占比為12%），粒度尺寸介于45～75μm區(qū)間內(nèi)，通過(guò)顯微鏡掃描及X射線照射獲取到的效果圖可分別詳見(jiàn)圖1a，1b，該粉末是比較常見(jiàn)的一種燒結(jié)破碎粉，以棱角狀為主，顆粒相對(duì)緊湊，Co粘結(jié)劑中含量諸多WC顆粒，就相結(jié)構(gòu)組成上來(lái)看，主要分為兩部分，一是主相WC，二是金屬Co；另一種是電解銅粉Cu180，粒度尺寸介于45～75μm區(qū)間，通過(guò)顯微鏡掃描生成的圖像如圖2所示。值得一提的是，筆者嚴(yán)格按照體積比來(lái)混合這兩種粉末，其中Cu180的體積占比依次為5%、10%、15%、20%。試樣基體材料由45#鋼制備而成，體積為20mm×15mm×4mm。在保證噴涂表面無(wú)任何雜質(zhì)、灰塵的情況下才能開(kāi)展噴涂作業(yè)。

經(jīng)多方面對(duì)比與分析之后，筆者決定在本實(shí)驗(yàn)中選用等離子噴涂裝置PlasmaLE-15，嚴(yán)格按照表1設(shè)定的工藝參數(shù)來(lái)制取涂層。同時(shí)，利用MH-6儀器對(duì)截面的顯微硬度HV0.3進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)OLYMPUSGX51型顯微鏡細(xì)致觀察涂層的結(jié)構(gòu)特征，并使用Philips-XL30掃描電鏡和RigakuD/Max-ⅢA型射線衍射儀（CuKα，λ=1.78897A°，步長(zhǎng) 0.02°，掃描速度為 8°/min，掃描空間 20°～90°，運(yùn)行電壓 35kV，運(yùn)行電流 30mA）對(duì)其斷口形貌和相組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行客觀、正確地分析。

圖1 WC-12Co粉末的掃描電鏡照片（a）和XRD圖譜（b）

圖2 Cu180粉末的掃描照片

表1 噴涂工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層截面的金相組織和顯微硬度

仔細(xì)觀察圖3可進(jìn)一步了解到，Cu180粉添加量不同，WC-12Co涂層的結(jié)構(gòu)表征變化不同。具體來(lái)講，黑色的孔狀物質(zhì)是氣孔（即箭頭“A”）；淺黃色物質(zhì)是銅（即箭頭“B”），而同時(shí)擁有黑、黃兩種顏色的則是銅的氧化物，也就是生活中比較常見(jiàn)的氧化銅和氧化亞銅。在銅含量不斷增大的情況下，涂層結(jié)構(gòu)的緊湊性會(huì)隨之增強(qiáng)，孔隙率也會(huì)不斷走低，而且孔隙的體積會(huì)大幅縮小。由此可見(jiàn)，銅會(huì)使WC-12Co涂層的孔隙發(fā)生顯著變化，既能有效改善涂層的組織結(jié)構(gòu)，還能將孔隙率降到最低。

在對(duì)表2的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析后進(jìn)一步了解到，在銅粉量不斷增加的情況下，涂層的硬度會(huì)隨之下降。涂層結(jié)構(gòu)組成相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只由三部分組成，一是變形顆粒，二是孔隙，三是氧化物，而涂層硬度變化是在多重因素的共同作用下形成的，而最主要的是孔隙率、硬質(zhì)相分布等。但大量實(shí)踐研究證實(shí)，孔隙率對(duì)硬度造成的影響是最大的，正常來(lái)講，只要合理控制孔隙率，就能使涂層硬度顯著增強(qiáng)；Co的熔融水平對(duì)WC粒子牢固度產(chǎn)生了決定性影響，倘若不含有Co，WC粒子就會(huì)輕松被打碎，導(dǎo)致涂層性能下降，具體表現(xiàn)為硬度變小、脆性變強(qiáng)；一般情況下，硬質(zhì)相成分越高、分布越合理、WC含量越多，相顆粒間距就越小，則涂層硬度的改善效果就越顯著。由上文分析可知，在銅粉末含量不斷增多的情況下，涂層孔隙率會(huì)隨之降低，由此便能顯著改善涂層結(jié)構(gòu)，但硬質(zhì)相卻大幅減少，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是即便孔隙率降到了合理范圍，但因?yàn)橛操|(zhì)相減少仍無(wú)法使涂層硬度達(dá)到預(yù)期要求。所以在銅粉末添加量不斷增加時(shí)，涂層硬度反而會(huì)大幅降低。

圖3 添加不同含量銅的WC-12Co涂層的斷面金相

表2 涂層硬度值（HV0.3）

2.2 添加劑銅的作用機(jī)理討論

由于涂層形成涉及多環(huán)節(jié)操作，因此顯得尤為復(fù)雜[7]。受表面張力影響，被加工成為熔融態(tài)的顆粒在未抵達(dá)工件前主要呈球形，與基體或完全凝固的涂層表面相碰撞時(shí)，熔滴就會(huì)因巨大的沖擊力而發(fā)生形態(tài)改變，演變成為薄圓片，對(duì)于這一變化過(guò)程業(yè)界人士習(xí)慣性地將其命名為“攤片”，最后成為碟形或薄餅形顆粒[8]。但在噴涂熔滴的過(guò)程中，受多方面因素限制與影響，各顆粒之間或各片層之間常常會(huì)因?yàn)闆](méi)有被熔體完全填充滿而形成一些形狀不一的孔隙，在此情況下就無(wú)法保證涂層性能[9]。

通過(guò)圖4可進(jìn)一步了解到，a、b反映了WC顆粒與表面相碰撞所形成的一種形貌，c、d反映了Cu顆粒與表面相碰撞后所形成的一種形貌。其中，圖4a的WC顆粒只有少部分被熔化，并且顆粒上出現(xiàn)了大量尺寸不一的孔隙，而4b中的顆粒則已被完全熔化，與表面相碰撞后迅速攤開(kāi)并凝固成為薄圓片。圖4c、4d中Cu顆粒也被徹底熔化，在與表面相碰撞后迅速攤開(kāi)并凝固成為薄圓片，在對(duì)圖4c進(jìn)行深入分析后進(jìn)一步了解到，攤片表面殘留大量深色物質(zhì)，實(shí)際上這是銅的氧化物；在對(duì)圖4d進(jìn)行深入分析后進(jìn)一步了解到，攤片表現(xiàn)為明顯的流散狀，由于銅熔點(diǎn)低，液態(tài)銅具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，能夠被完全熔融，同時(shí)在強(qiáng)大動(dòng)能的助推下，顆粒就會(huì)形成理想的扁平化形貌。

通過(guò)圖5可對(duì)WC-12Co和20%Cu-WC-12Co涂層的斷口SEM形貌特征有更全面且清晰地認(rèn)知與了解。受外部作用力影響，涂層發(fā)生不同程度的斷裂，正如圖中所示形成了大量小孔，也就進(jìn)一步說(shuō)明，在外力作用下，顆粒與顆粒之間可輕松被打碎。在對(duì)圖5a進(jìn)行深入分析后進(jìn)一步了解到，WC-12Co涂層結(jié)構(gòu)不夠緊致，孔隙率相對(duì)較高；而5b中的20%Cu-WC-12Co涂層結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙量小且分布合理。與碳化鎢相比，銅相的活性更大，由于它張力小、粘度小，熔化粒子的流動(dòng)水平大幅提升，所以能達(dá)到理想的潤(rùn)濕效果，又因?yàn)樗埸c(diǎn)低，能夠被完全熔化，與基體表面相碰撞后，能夠在強(qiáng)大沖擊力的驅(qū)使下迅速變形、鋪展，還能融化大量間接觸點(diǎn)[10]，致使孔隙被完全填實(shí)。另外，因?yàn)榛w是生活中比較常見(jiàn)的一種金屬材料，而碳化鎢則是耐高溫的陶瓷材料，在此情況下，添加適量銅粉能夠?qū)⑻蓟u涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的差異降到最小，可顯著提高涂層性能。

4 結(jié)論

1）等離子噴涂Cu-WC-12Co復(fù)合涂層時(shí)，隨著添加Cu量的增多涂層組織更加致密，但顯微硬度降低。

2）銅具有熔點(diǎn)低、表面張力小、液態(tài)粘度小等顯著優(yōu)勢(shì)特性，因此能夠在噴涂的過(guò)程中能將孔隙完全填充，從而達(dá)到合理控制孔隙率的目的。

圖4 WC（a）和 Cu（c）(d)顆料的扁平化形態(tài)

圖5 WC－12Co（a）和20%Cu－Wc-12Co(b)涂層的斷口SEM形貌