采用HVAF与HVOF工艺制备的NiCr-25％Cr3C2涂层的结构和性能表征.pdf

第４卷第３期２０１０年９月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡ函Ｉ（）ＮＶ０１．４．Ｎｏ．３Ｓｅｐｔ．２０ｌ０———文章编号：１６７３９９８１（２０１０）０３０２０２０５采用ＨＶＡＦ与ＨＶＯＦ工艺制备的ＮｉＯｒ．２５％Ｃｒ３Ｃ２涂层的结构和性能表征王枫，朱晖朝，陈志坤，邓春明（广州有色金属研究院．广东广州５１０６５０）摘要：分别采用ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ工艺制备了ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ。Ｃ。涂层．对两种方法所制备的涂层的显微组织、硬度、孔隙率及摩擦磨损性能进行了表征．从涂层的微观结构和磨损机理方面分析了两种涂层的耐磨损性能不同的原因．研究结果表明。与ＨＶＡＦ涂层相比，ＨＶＯＦ喷涂时由于火焰温度和焰流速度较高．制备的ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ。Ｃ：涂层更均匀和致密．孔隙率和表面粗糙度较低。硬度更高．ＨＶＡＦ涂层中碳化铬的剥落与犁沟均较明显，耐磨性能较差．关键词：ＨＶＡＦ；ＨＶＯＦ；ＮｉＣｒ－ＣｒａＣ２；耐磨性中图分类号：ＴＧｌ７４．４４２文献标识码：Ａ—ＮｉＣｒＣｒ。Ｃ。是目前应用最广泛的金属陶瓷复合材料之一．ＮｉＣｒ具有优良的耐热、抗高温氧化和耐腐蚀性能，Ｃｒ。Ｃ。具有较高的硬度和抗高温氧化—℃性能良好．ＮｉＣｒＣｒ。Ｃ：涂层在９００以下具有优良的抗高温氧化、抗高温气流或微粒冲蚀磨损和硬面磨损性能ｕ。。，被广泛应用于连铸连轧轧辊和中温退火炉炉内辊的耐磨涂层、航空涡轮发动机的涡轮叶片耐高温冲蚀磨损涂层、火力发电厂的燃煤炉耐高温燃气冲蚀磨损涂层［３喝］．—热喷涂是制备ＮｉＣｒＣｒ。Ｃ。涂层的重要手段．目—前，工业上制备ＮｉＣｒＣｒ，Ｃ。涂层采用最多的热喷涂方法是ＨＶＡＦ（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙ—ＡｉｒＦｕｅｌＳｐｒａｙｉｎｇ）和ＨＶＯＦ（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙ—ＯｘｙＦｕｅｌＳｐｒａｙｉｎｇ）．本文分别采用ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ制备ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ２涂层，分析研究两种涂层的磨损性能和磨损机理，为工程设计、应用超音速火焰喷涂ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ。涂层提供科学依据．１试验方法与表征收穑日期：２０１０－０６一ｏｌ作者简介：王枫（１９７３一）．男，江苏江都人．工程师１．１试验方法试验采用粒度为（－－４５＋１５）肛ｍ的ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ：热喷涂粉末，粉末形貌如图ｌ所示．基体为４５号钢，尺寸为１００ｍｍＸ５０ｍｍ×３ｍｍ．图１ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ。ｃ２粉末形貌Ｆｉｇ．１ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ３Ｃｚｐｏｗｄｅｒ喷涂设备采用美国ＵｎｉｑｕｅＣｏａｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公—司生产的ＩｎｔｅｌｌｉＪｅｔ—ＡＣＨＶＡＦ系统和德国ＧＴＶ公司生产的ＨＶＯＦ系统．ＨＶＡＦ喷涂选用ＳＢ２５０万方数据第４卷第３明王枫．等：采户甘ＨＶＡＦ与ＨＶ（）Ｆ工艺制备的ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ。Ｃ２涂层的结构和性能表，址２０３喷枪，ＨＶＯＦ喷涂选用Ｋ２喷枪．ＨＶＡＦ系统采用压缩空气作为助燃剂，丙烯为燃料，火焰温度在℃１３００左右，焰流速度可以达到８００～９００ｍ／ｓ．ＨＶＯＦ喷涂系统使用煤油作为燃料，与氧气充分混合后，燃烧室压力可以达到０．９ＭＰａ以上，火焰温℃℃度最高可达２６００，焰流温度在１８００左右，焰流速度可以达到２０００ｍ／ｓ．ＨＶＡＦ喷涂时空气压力为０．６ＭＰａ，丙烯压力为０．５ＭＰａ，喷距１７０ｍｍ．ＨＶＯＦ喷涂时，煤油流量为２６Ｌ／ｈ，氧气流量为９００Ｌ／ｒａｉｎ，氮气流量为９Ｌ／ｒａｉｎ，喷距３８０ｍｍ．１．２表征采用ＬｅｉｃａＤＭＩＲＭ金相显微镜和ＪＳＭ５９１０ＳＥＭ扫描电子显微镜对试样横截面显微组织形貌进行观察和分析．采用ＭＨ一５Ｄ数字显微维氏硬度计测试涂层的显微硬度，载荷为２．９４Ｎ，加载时间为１５ｓ．涂层的耐磨性能试验在日本ＳＵＧＡ轮式磨耗试验机上进行，选用３２０号ＳｉＣ砂纸带，压力为２０Ｎ，往复频率为４０次／ｍｉｎ．砂纸轮转动一周，往复磨损４００回，一轮磨损完成，更换砂纸．用ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ制备两组ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ２涂层样品，每个样品磨损５轮，取平均值．每次摩擦磨损试验后，在丙酮中用超声波清洗试样，用精度为０．１ｍｇ的分析△天平测量磨损失重ｗ．采用Ｄｓｉｅｒ公司生产的Ｓｐｒａｙｗａｔｃｈ３ｉ系统分别对ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ喷涂过程中粒子温度和粒子速度进行实时检测．２试验结果与分析２．１显微结构分析ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ｛Ｃ２涂层的剖面形貌如图２所示．由图２可见，两种涂层均致密均匀，涂层与基体结合紧密．采用ＬｅｉＣａＤＭＩＭＲ自带的图像分析系统测得ＨＶＡＦ涂层的孔隙率为１．２９％，ＨＶＯＦ涂层的孔隙率为１．０４％．高倍观察发现，涂层中黑色的Ｃｒ。Ｃ：硬质相均匀地分布于ＮｉＣｒ粘结相中，粘结相和硬质相结合良好．对比两种涂层可知，ＨＶＡＦ涂层中的孑Ｌ隙较多，这些孔隙主要分布于粘结相和硬质相的界面，使粘结相与硬质相的结合力降低，因此，ＨＶＡＦ涂层中粘结相与硬质相的结合比ＨＶＯＦ涂层的差．图２ＨＶＡＦ涂层（ａ）（ｃ）和ＨＶ（）Ｆ涂层（ｂ）（ｄ）剖面形貌图Ｆｉｇ．２—ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｌｉｍａｇｅｓｆｏｒＨＶＡＦａｎｄＨＶ（）Ｆｃｏａｔｉｎｇｓ万方数据２０４材料研究与应用２Ｏ１０用Ｓｐｒａｙｗａｔｃｈ３ｉ系统检测ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ喷涂时粒子速度和粒子温度，结果列于表１．由表１可见，ＨＶＯＦ喷涂时粒子的速度明显大于ＨＶＡＦ喷涂时粒子的速度．ＨＶＯＦ的粒子温度也高于ＨＶＡＦ的粒子温度．由于在喷涂过程中，ＨＶＡＦ的火焰温度和焰流速度均比ＨＶＯＦ的低．所以ＨＶＯＦ喷涂时能够使ＮｉＣｒ颗粒熔化更充分，较高的焰流速度也可使熔化的ＮｉＣｒ颗粒在轰击镶嵌到基体表层时具有更大的动能，从而使粒子的铺展、变形更充分，涂层更加致密均匀．ＨＶＯＦ的Ｃｒ。Ｃ。粒子也具有较高的动能，在轰击到ＮｉＣｒ粒子时，粘结结合得更紧密．表１Ｓｐｒａｙｗａｔｃｈ３ｉ系统实时检测数据Ｔａｂｌｅ１ＲｅａｌｔｉｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｏｆＳｐｒａｙｗａｔｃｈ３ｉｓｙｓｔｅｍ图３和图４分别为ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ涂层的Ｘ射线衍射图谱．由图３和图４可以看出，ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ，Ｃ２涂层中有Ｃｒ７Ｇ相，这是在喷涂过程中由Ｃｒ。Ｃ２颗粒受热分解脱碳而生成的．铬的碳化物均匀地分布在ＮｉＣｒ粒子上，提高了涂层的硬度与耐磨性．ＨＶＡＦ涂层的表面粗糙度为Ｒａ４．１６ｐ．ｍ，ＨＶＯＦ涂层的表面粗糙度为Ｒａ３．０７／．ｔｍ，由此可见，ＨＶＯＦ涂层的表面更光滑．图５是ＨＶＡＦ涂层和ＨＶＯＦ涂层表面ＳＥＭ形貌图．由图５可以看出，ＨＶＯＦ涂层表面细密光滑，气孔较少，而ＨＶＡＦ涂层表面的孔隙较多较大，这也和其较大的表面粗糙度相对应．图３ＨＶＡＦＮｉＣｒ－２５％Ｏｒ３Ｃｚ涂层ＸＲＤ谱图Ｆｉｇ．３ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅＨＶＡＦＮｉＣｒ－２５ｏＡＣｒａＣ２ｌａｙｅｒ２０Ｈ。）图４ＨＶ（）ＦＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ２涂层ＸＲＤ谱图Ｆｉｇ．４ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅＨＶ（）ＦＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ３Ｃ２ｌａｙｅｒ图５涂层的表层ＳＥＭ形貌图（ａ）ＨＶＡＦ涂层；（ｂ）ＨＶＯＦ涂层Ｆｉｇ．５ＳＥＭｉｍａｇｅｓｓｈｏｗｉｎｇｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｌａｙｅｒｓｕｒｆａｃｅ（ａ）ＨＶＡＦｃｏａｔｉｎｇ；（ｂ）ＨＶ（）Ｆｃｏａｔｉｎｇ万方数据第４卷第３期王枫．等：采用ＨＶＡＦ与ＨＶＯＦ工艺制备的ＮｉＣｒ－２５％ＣｈＣｚ狳层的结构和性能表征２０５２．２显微硬度和耐磨性能分析用ＭＨ一５Ｄ型数字显微维氏硬度度仪测得ＨＶＡＦ涂层的显微硬度Ｈｖ０．３８９７，ＨＶＯＦ涂层的显微硬度Ｈｖ０．３９６５．由于ＨＶＯＦ涂层中充分熔融的ＮｉＣｒ与硬质相结合良好，涂层的孔隙率较低，所以它的显微硬度较高．在相同磨损条件下，两种涂层的磨损量列于表２．由表２可见，ＨＶＯＦ涂层的磨损量小于ＨＶＡＦ涂层的磨损量．ＨＶＯＦ涂层的平均磨损量为ＨＶＡＦ涂层磨损量的７０％，表明ＨＶＯＦ涂层具有更高的耐磨损性能，这也和涂层硬度的结论相符．表２涂层的摩擦磨损试验磨损量Ｔａｂｌｅ２Ｗｅａｒｗｅｉｇｈｔｌｏｓｓｏｆｔｈｅｌａｙｅｒ图６为ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ涂层摩擦磨损后的磨痕形貌．由图６可见，两种涂层磨损面上均有大量的犁沟，这是由于在摩擦过程中，沙粒不断犁削涂层表面所形成的．在ＨＶＡＦ涂层中可明显地看到涂层中有较多的粘着物和凹坑，划痕较多较深（图６（ａ））．而ＨＶＯＦ涂层中的粘着物较少，凹坑和空洞较少，划痕较浅（图６（ｂ））．能谱分析结果表明，磨痕处粘着物主要为ＮｉＣｒ，凹坑是Ｃｒ。Ｃ：颗粒从涂层中脱落后所形成的．图６涂层磨损表面ＳＥＭ形貌图（ａ）ＨＶＡＦ涂层；（ｂ）ＨＶ（）Ｆ涂层Ｆｉｇ．６ＳＥＭｉｍａｇｅｓｆｏｒｗｏｒｎｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｔｈｅｌａｙｅｒ（ａ）ＨＶＡＦｃｏａｔｉｎｇ：（ｂ）ＨＶ（）Ｆｃｏａｔｉｎｇ涂层的磨损性能与涂层内部颗粒的结合状况密切相关，而在喷涂过程中，喷涂速度、火焰温度又直’接对涂层颗粒产生影响Ｌ６７ｊ．ＨＶＡＦ喷涂具有较低的火焰温度和焰流速度．ＮｉＣｒ粒子的熔化程度较差，而较大的ＣｂＣ２颗粒，以高速轰击镶嵌在前涂层或ＮｉＣｒ粒子时，与ＮｉＣｒ的结合力较小，在磨擦时容易从从涂层中脱落，从而在磨损表面形成凹坑．由ＨＶＡＦ涂层的剖面（图２（ｃ））可见，粘结相与硬质相的界面存在较多的孔隙，这些孑Ｌ隙削弱了硬质相与粘结相的粘结性能．３结论（１）ＨＶＡＦ和ＨＶＯＦ都能获得具有较高致密度、较高硬度的ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ：涂层．（２）由于充分熔融的ＮｉＣｒ粘结相和Ｃｒ。Ｃ：硬质万方数据２０６材料研究与应用２０ｌ０相有较高的结合力，ＨＶＯＦ可以获得显微硬度更高、耐磨性能更好、表面粗糙度更低、更致密的ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ２涂层．而ＨＶＡＦ涂层中在粘结相与硬质相界面存在较多孔隙．（３）两种ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ。Ｃ：涂层磨损形式均为磨粒磨损．ＨＶＯＦＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ：涂层的耐磨性能明显好于ＨＶＡＦＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ。涂层，其磨损量约为ＨＶＡＦＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ。Ｃ２涂层的７０％．参考文献：Ｌ１］ＫＡＭＡＩ。Ｓ．ＪＡＹＡＧＡＮＴＨＡＮＲ．ＰＲＡＫＡＳＨＳ．Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｏｆｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ・・ｇｕｎ・・ｓｐｒａｙｅｄＣｒ３Ｃ２一ＮｉＣｒｃｏａｔｉｎｇｏｎＦｅ－ａｎｄＮｉ－ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓｉｎａｉｒｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｔ℃９００［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄ—Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．２００９．４７２：３７８３８９．［２］ＭＡＴＴＨＥＷＳＳ．ＪＡＭＥＳＢ。ＨＹＬＡＮＤＭ．ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｌｅｎｄｅｄｐｏｗｄｅｒＣｒ３ｃ２－ＮｉＣｒｃｏａｔｉｎｇｓ［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ—ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａＩＴｈｅｒｍａｌＳｐｒａｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．［Ｓ．１．］：［Ｓ．ｎ．］．２００９．［３］戴达煌．刘敏，余志明．等．薄膜与涂层现代表面技术［Ｍ］．长沙：中南大学出版社．２００７．［４３高峰，刘富荣．任先京．超音速火焰喷涂ＮｉＣｒ一２５％２５％Ｃｒ。ｃ２涂层的滑动摩擦磨损性能研究［Ｊ］．有色金属（冶炼部分）．２００８（ｚ１）：９８一１０１．［５］李振铎．于月光．刘海飞．等．高温耐磨损Ｃｒ３Ｃａ一２５％ＮｉＣｒ涂层制备及其性能研究［Ｊ］．有色金属（冶炼部分）．２００６．Ｓ１：３７－４０．［６］纪岗昌．李长久．王豫跃．等．超音速火焰喷涂ＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ３Ｃ。涂层磨粒磨损性能研究［Ｊ］．材料保护．２００２・３５（１２）：２３－２５．［７］ＳＡＨＲＡＯＵｌＴ．ＦＥＮＩＮＥＣＨＥＮ－Ｅ．ＭＯＮＴＡＶＯＮＧ．ｅｔａ１．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＨＶＯＦｓｐｒａｙｅｄＣｒ３Ｃ２．ＮｉＣｒａｎｄ—ＷＣＣｏｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄ—Ｄｅ—ｓｉｇｎ，２００３．２４：３０９３ｉ３．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ３Ｃ２ｃｏａｔｉｎｇｐｒｅｐａｒｅｄｂｙＨＶＡＦａｎｄＨＶＯＦｐｒｏｃｅｓｓＷＡＮＧＦｅｎｇ．ＺＨＵ—Ｈｕｉｃｈａｏ．ＣＨＥＮＺｈｉ－ｋｕｎ。ＤＥＮＧＣｈｕｎ－ｍｉｎｇ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ—ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０・Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ３Ｃ２ｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙａｉｒｆｕｅｌ（ＨＶＡＦ）ａｎｄｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｏｘｙｆｕｅｌ（ＨＶＡＦ）ｐｒｏｃｅｓｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｐｏｒｏｓｉｔｙａｎｄｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｏｒｂｏｔｈＮｉＣｒ一２５％Ｃｒ３Ｃ２ｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓｗａｓｅｘｐｌｏｒｅｄｆｔｏｍｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｏｒＨＶＯＦｐｒｏｃｅｓｓｔｈａｎＨＶＡＦｐｒｏｃｅｓｓｌｅｄｔｏｍｏｒｅ—ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｌｔｉｎｇｏｆＮｉＣｒａｄｈｅｓｉｖｅｐｈａｓｅ，ｂｅｔｔｅｒｕｎｉｆｏｒｍｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗｅｒｐｏｒｏｓｉｔｙａｎｄｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｆｉｎａｌｌｙｈｉｇｈｅｒｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ．ＨＶＡＦＮｉＣｒ－２５％Ｃｒ３Ｃ２ｃｏａｔｉｎｇｅｘｈｉｂｉｔｅｄｗｏｒｓｅｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｕｅｔｏｔｈｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＣｒ３Ｃ２ｈａｒｄｐｈａｓｅａｎｄｄｅｅｐｅｒｗｅａｒｓｃａｒ．Ｋｅｙ—ｗｏｒｄｓ：ＨＶＡＦ；ＨＶＯＦ；ＮｉＣｒＣｒ３Ｃ２；ｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ万方数据