超音速火焰喷熔 WC-Co-Cr 涂层在1Cr18Ni9Ti不锈钢的微观结构以及抗空蚀性能外文翻译资料

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超音速火焰喷熔 WC-Co-Cr 涂层在1Cr18Ni9Ti不锈钢的微观结构以及抗空蚀性能

关键词：WC-Co-Cr涂层 , 超音速火焰喷熔 ， 空蚀侵蚀

摘要：将WC-Co-Cr涂层通过超音速火焰喷涂（HVOF）沉积到1Cr18Ni9Ti
不锈钢基材增加其抗气蚀侵蚀性。在超音速火焰喷涂后，显示其由
非晶相，纳米晶粒（Co-Cr）和几种碳化物组成，包括Co3W3C，
Co6W6C，WC，Cr23C6和Cr3C2存在于涂层中。 改善了涂层的硬度
为11.3GPa，比不锈钢基材高1.8倍。由于涂层中存在这些新相以及其较高的硬度，30小时空蚀质量损失仅为不锈钢基板的64%。空蚀后涂层的显微结构分析表明大部分的腐蚀发生在不锈钢1Cr18Ni9Ti未融化或半融化的颗粒与基体（Co-Cr）之间的界面处，以及涂层中孔的边缘以及双晶和颗粒的边界。

1. 简介

空蚀是诸如阀门，螺旋桨，液压泵和柴油发动机这些由金属/合金材料制成的液压组件常见的现象。在它们的操作过程中，这些部件通常与具有波动压力的快速流动或振动的液体保持接触。压力波动导致产生和崩溃气泡，在附近固体表面施加应力脉冲导致金属表面的气蚀。液压组件在金属/合金基底上合适的表面涂层的准备通常是必要的目的是为了减轻空蚀损害。例如，WC基的涂层可以用来提高金属/合金材料的抗磨损，氧化，腐蚀侵蚀性。其原因是金属粘合剂（Co, Ni或Co-Cr）提供必要的韧性的同时，在涂层中硬的WC颗粒可以增加涂层的硬度以及耐磨性。然而，在传统的热喷涂技术中，WC相倾向于分解成W2C低硬度和较高的脆性，这通常会降低其硬度，抗氧化和气蚀性。

超音速火焰喷涂（HVOF）技术在过去几十年中引起了人们对涂料制备的关注，因为它可以快速提供高质量的涂层，具有良好的粘附性。对于WC以及Cr3C2基的涂层其优势更加明显于传统的等离子涂层。原因在于，超音速火焰喷涂具有低温度（1900-3000K）和更高速（550m/s）两大特点，有效的降低了在涂层工艺期间碳化物颗粒的转化与氧化。

当前，通过HVOF制备WC-Co-Cr金属陶瓷涂层在不锈钢1Cr18Ni9Ti基板上进行热喷涂，广泛应用于液压机械。通过X射线衍射（XRD），光学显微镜（OM），扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）鉴定涂层碳化物的微观组织，相组成和转变。该涂层和该衬底的维氏显微硬度是由压痕法进行测试。WC-Co-Cr涂层的气蚀行为和参考体奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti是用振动空化装置进行研究的。通过SEM检查侵蚀表面，并讨论可能的耐腐蚀机理。

2． 实验过程

2.1 材料和HVOF热喷涂工艺

本研究中用于奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）上的涂层的起始粉末的晶粒尺寸为约20-50mu;m，质量分数组成为40％W、36％Cr、20％Co 精度为0.1mg和C的平衡。图1分别示出了在低倍率times;100（图1（a））下的起始粉末的SEM形貌和times;1000的高倍率（图1（b））。图1（b）表明粉末是有几个约1-5mu;m以团聚和轻微烧结状态颗粒组成的。

在涂布过程之前，将不锈钢（1Cr18Ni9Ti）制成的螺纹样品脱脂并喷砂，得到17mu;m的粗糙度。然后使用JP5000喷雾系统从上述起始粉末通过WC-Co-Cr涂层涂覆螺杆。使用煤油和氧气作为燃料气体，流量分别为0.02 m3 / min和1.85 m3 / min，而氩气用作载气，流速为0.01 m3 / min。粉末进料速率借助于计算机化的粉末给料站固定在10克/分钟。 在15次喷涂过程后，获得沉积厚度为500mu;m的涂层。

2.2 空蚀侵蚀实验

使用振动空化装置进行气蚀侵蚀试验，其详细程序可以在文献中找到。简言之，在气穴侵蚀试验之前，通过研磨和机械抛光对其上具有WC-Co-Cr涂层的螺杆样品进行预处理。然后，涂覆的样品是附在喇叭的自由端。将螺钉的尖端浸入保持在1000ml烧杯中的水中约3mm，通过控制超声波发生器的输出功率，系统保持谐振状态，频率为19plusmn;1 kHz，双振幅为60plusmn;5mu;m。在测试过程中，烧杯被流动的冷却水包围，以将水保持在25-30℃。每30分钟，烧杯中使用过的水将被未使用的水替代。在设定的侵蚀时间（1.5小时）后，将样品进行清洁，并以0.1毫克的精度进行平衡加权。在相同条件下对参考奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti进行了测试以进行比较。

2.3 微结构表征

用CuKalpha;辐射通过X射线衍射（XRD; Geigerflex，Rigaku Corp.）鉴定起始粉末和涂层的晶相。通过扫描电子显微镜（SEM，Hitach：S-3400N）观察未编织和侵蚀的涂层的微观结构。使用透射电子显微镜（TEM，JEOL：2000EX）研究了涂层的一些更细微的微观结构特征。维氏硬度（Hv）是在室温下通过硬度计（HXD-1000TC）在负载（P）为1.96N下进行15秒测试，并沿着涂层和奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）的中等横截面进行20次测量。

3． 结果与讨论

3.1 相组成

起始粉末和被喷涂的涂层的X射线衍射图如图1所示。在WC-Co-Cr涂层和起始粉末中，检测到Co3W3C，Co2C，WC，CrCo和碳化铬的不同相。结果表明，HVOF工艺的较高的火焰速度和较低的火焰温度将有效地限制WC分解过程。图2还显示了在痕迹中以2theta;asymp;43°和65°为中心的明显的漫射衍射光晕的存在，表明在粉末和涂层中存在一定比例的非晶相，并且在XRD数据中更强烈涂层。

3.2 涂层表征

图3（a） - （d）表示涂层的抛光横向表面。图3（a）显示涂层非常致密并且与基底具有良好的接触。这表明涂层确实由于HVOF热喷涂的速度较快（图3 （a））因而对衬底具有紧密的附着力。喷涂WC-Co-Cr涂层的孔隙度值小于1％从（图3 （b））来看，这与HVOF和高速轴向等离子体喷涂（HVAPS）的Fe基涂层结果相关。Scrivani等 提出，涂层颗粒的高冲击速度，导致单个胶料的高密度和高内聚强度，可能导致涂层的孔隙率低和密度高。 图3（b）显示了具有接近球形形态的涂层中未熔融或半熔化的颗粒的存在。

在我们以前对常规合金涂层的研究中已经观察到类似的形态。这里提出金属粘合剂（Co-Cr）部分或完全熔化，而大多数碳化物颗粒在HVOF热喷涂期间保持固态。图3（c）和（d）显示涂层也由基体（Co-Cr）和碳化物颗粒组成。具有最轻的灰色对比度的氧化物也出现了，而由于非常低的氧化物含量，通过XRD分析在涂层中未观察到氧化物形成。 Magnani等人也观察到类似的结果。

在本研究中，TEM也用于获得关于WC-Co-Cr涂层的微观结构的更详细的信息。对应的TEM图像在图4中显示，从中可以看出，涂层由碳化物，纳米晶体相和非晶相组成。采用以非晶区域为中心的选定区域孔径的衍射图显示了预期的扩散光晕，其具有由选定区域内的晶粒产生的漫射衍射光斑（图4（b））。存在于TEM中的这些漫射特征与图1中的XRD结果一致。涂层中的纳米晶粒的尺寸在（图4 （C））所示的10至30nm的范围内，并且纳米晶粒被鉴定为多晶选择区域衍射（SAD）图案的Cr基相如（图4（d））所示。因为液滴的冷却速度可以足够高以在热喷涂的连续通过期间产生高的成核速率和原始非晶区域的再结晶，因而能够形成纳米晶粒。后者的解释与文献相同。WC相的XDR光谱图2也可以用TEM观察到如图4（e）和（f）所示，其具有一个大形的正交结构和六角晶格结构。

WC-Co-Cr体系的非晶相形成除了适用于形成非晶相的〜10⁷Ks-1的高冷却速度外还与原子结构密切相关。本涂层中的基体组成为Co-Cr-W-C体系，Co，Cr，W和C的有效添加导致原子尺寸的顺序变化为W（1.41Aring;）gt; Cr（1.30） Aring;）gt; Co（1.25Aring;）gt; C（0.91Aring;），以及产生具有各种负热混合的原子对。拓扑结构和化学短程顺序增加，导致在超冷却液体中形成具有低原子扩散率的高密度，随机填充结构。也就是说，无定形相的形成归因于熔滴的高冷却速度和合适的粉末组成。 这个观点与文献中的观点相似。

图5示出了不锈钢1Cr18Ni9Ti的微结构，其典型地呈现双奥氏体。涂层的显微硬度在1.96N的载荷下为11.3GPa，明显高于比较材料不锈钢1Cr18Ni9Ti，其在相同载荷1.96N时为1.8GPa。涂层的高硬度归因于非晶相，纳米晶粒和几种碳化物硬化相的复合结构，如Co3W3C，Co6W6C，WC和碳化铬，如图1和图4所示。另一方面，低孔隙率含量有利于HVOF沉积WC-Co-Cr涂层的高硬度值。

3.3 气蚀侵蚀特征

HVOF沉积WC-Co-Cr涂层和参考不锈钢（1Cr18Ni9Ti）的空蚀侵蚀累积质量损失曲线如图6所示。显示HVOF喷涂的WC-Co-Cr涂层显示出比参考不锈钢1Cr18Ni9Ti明显更高的抗侵蚀性能。侵蚀30 h后，涂层质量损失为17.5 mg，仅为参考不锈钢1Cr18Ni9Ti（27.4 mg）的64％。

图7显示不锈钢1Cr18Ni9Ti样品在侵蚀30小时后的表面SEM显微照片。空化试验后参考不锈钢1Cr18Ni9Ti有一些变形。图7（a）显示了样品中心部分呈现出了最严重的气蚀侵蚀特征，一些来自塑性变形材料的颗粒被撕裂。但样品表面的边界并没有呈现出侵蚀的特征。因此，如图7所示，在编码和未编码区之间存在分割区域。微裂纹在双层板和奥氏体晶界的连接部分开始产生。

图8显示涂层样品侵蚀30h的空蚀特种。SEM图像显示涂层表面没有明显的损伤现象（图8（a））。涂层的表面仅显示少量材料脱屑，并且仍然有一些抛光区域没有损坏。如图8（b，c）所示，质量损失开始于未熔化或半熔化的颗粒与基体或孔的边缘之间的界面处，然后延伸到孔的一般边缘，甚至在表面上，这与我们之前研究的HVOF喷涂Fe基涂层的结果是一致的。较大的放大形态（图8（d））显示涂层是通过分层被去除的。金属断面显微观察（图8（d））似乎显示具有疲劳特征，这是因为疲劳带的存在。

遭受气蚀侵蚀的材料可以由于短时间重复冲击而被破坏。因此，在以前的研究成果中认为金属的气蚀侵蚀是循环性微负载破坏的一个特例。为了重负的冲击载荷和非常小的接触面积，空蚀侵蚀作用下引起的降解机理也可以通过重复的纳米压痕加载来描述。本研究中WC-Co-Cr HVOF涂层也具有疲劳特性，如图1所示。在我们的试验中，气蚀侵蚀被中断以便于重量测量。之后，继续进行气蚀，直到下次的重量测量。这可能增加了图8中的疲劳特性。

最后应该指出，耐蚀性对微观结构缺陷的数量极度敏感。一些文献证明材料的强度和硬度随着孔隙率的增加而降低。因此可能表明孔和未熔化的颗粒可能削弱材料硬度好强度的能力。因此，通过优化具有较少数量的未熔融颗粒和孔的更均匀涂层的喷雾参数，可以改善抗气蚀侵蚀性。 这样的工作仍在进行中，并将出现在另一篇论文中。

4 结论

通过HVOF喷涂获得WC-Co-Cr涂层用于空蚀抗侵蚀应用。 主要结论如下：

1. HVOF喷涂的WC-Co-Cr涂层具有均匀的微观结构和与基底的紧密冶金结合。涂层由非晶相，纳米晶粒和几种碳化物组成。涂层的维氏硬度值（11.3GPa）远高于不锈钢1Cr18Ni9Ti（1.8GPa）。
2. 由于其高硬度和更好的结构，涂层的抗气蚀性能比1Cr18Ni9Ti不锈钢高
3. 质量损失发生在不同组分的界面处。在涂层中，质量损失开始于未熔融或半熔融的颗粒与基体以及孔的边缘和不同相的界面之间的界面。奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti中的微裂纹在连接部分的双层界面和奥氏体晶界

致谢

研究得到河海大学创新基金，中国博士后科学基金（No.20100471371）和中央大学基础研究基金（2009B16314号）

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