CN101691647B

CN101691647B - 一种具有高性能的热喷涂涂层

Info

Publication number: CN101691647B
Application number: CN2009101721459A
Authority: CN
Inventors: 李淑青; 巩水利; 李其连
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: CN101691647A

Abstract

本发明是一种具有高性能的热喷涂涂层，其特征在于：该涂层材料的化学成份及重量百分比为：Co，8～15％，Cr，3～8％，其余为碳化钨。另外，在该涂层材料中还可以加入NiCrAlY，加入量为它与涂层材料质量之和的30～60％。该涂层具有高的显微硬度及良好的韧性，涂层组织结构由层状叠加变为冶金结合，涂层与基体间也由机械结合变为冶金结合，其致密的组织，优异的微观结构可提高涂层颗粒之间的结合力，极大地增强了涂层的抗磨损能力，有效的阻止了腐蚀介质的侵入，从而提高了涂层的耐磨损耐腐蚀性能。

Description

一种具有高性能的热喷涂涂层

技术领域

本发明是一种具有高性能的热喷涂涂层，属于热喷涂涂层技术领域。

背景技术

热喷涂制备涂层技术是表面防护的一个重要分支，以其经济高效的特点成为目前应用最广泛的耐磨损耐腐蚀涂层的制备工艺。热喷涂技术是指利用各种热源，将欲喷涂的固体涂层材料加热至熔化或熔融状态，借助于高速气流的雾化效果使其形成微细熔滴，喷射沉积到经过预处理的工件基体表面形成堆积结构涂层的技术。按照热源的不同分为电弧喷涂，火焰喷涂，超音速喷涂，等离子喷涂，等等。

航空、航天中飞机发动机、火箭等工作环境十分恶劣，要经受高温、磨损、氧化、腐蚀等的综合作用，由此所导致的部件失效不仅会造成巨大的经济损失，而且影响国家安全，为了延长武器装备的使用寿命，需要对其关键部件表面进行各种防护，如耐磨、耐腐蚀、抗氧化、隔热等，由此热喷涂涂层发挥着越来越重要的作用，其中多功能涂层的发展更是成为涂层研究的热点。但传统的热喷涂工艺喷涂的涂层与基体间为机械结合，涂层间为层状叠加结构，即使不同的热喷涂工艺，随喷涂速度的提高，喷涂功率的增大，粉末的细致化等，其耐磨耐腐蚀性能会有所提高，但是机械结合与层状叠加结构决定了涂层的性能只是量级的提高，而无法实现质的飞跃，因此单独的热喷涂工艺已经在很多情况下不能满足部件对高性能涂层的需求。

热喷涂工艺的喷涂原理，决定了热喷涂工艺所制备涂层内部皆为层状叠加结构，涂层界面与基体界面间及涂层内部组织为机械结合，因此涂层都存在着因机械结合、层状叠加结构所导致的结合强度低，易剥落失效的缺点，严重影响了涂层的耐磨损等性能的发挥以及涂层的使用寿命；另外涂层孔隙率高、裂纹多，这些会加速涂层的局部腐蚀，使得涂层抗腐蚀性能差。

若能使涂层与基体间以及涂层之间实现冶金结合，而非层状叠加，涂层的致密性与结合强度都将大大提高，其性能将有一个实质性飞跃。对于高性能涂层制备领域以及武器装备的性能提高都具有重大意义。

目前改进的方法：

1.在基体与面层间喷涂粘结底层，即中间层，利用中间层与基体和面层间的良好浸润性，最终达到增加涂层与基体间结合力的目的。

中间层实质上增加了涂层的界面，杂质易侵入，易产生氧化生长物从而导致涂层剥落失效)；

2.喷涂后激光重熔，使涂层与基体实现冶金结合，增加涂层致密性，增强其结合力和耐腐蚀、耐磨损等性能。

激光重熔可实现冶金结合和致密涂层的目的，但由于其需要在喷涂完毕后再进行激光重熔加工，故相当于延长了涂层的制备周期，且重熔参数较难控制，另外，因其需要熔透整个涂层故所需能量很高，涂层材料易被烧损，失去了喷涂材料原有的优异性能，易产生较大的残余应力以及较多的裂纹孔洞，最终导致涂层性能下降且易剥落失效。

发明内容

本发明正是针对上述现在技术中存在缺点而设计提供了一种具有高性能的热喷涂涂层，本发明技术方案没有从工艺的角度入手，而是针对形成热喷涂涂层的材料进行了研究，提出了一种新的热喷涂涂层材料，其目的是利用激光与大气等离子复合喷涂方法制备出具有高结合强度、高耐磨损耐腐蚀的涂层。该涂层实现了冶金结合，涂层组织致密，优异的微观结构可提高涂层颗粒之间的结合力，进而提高涂层的耐磨损耐腐蚀性能，使热喷涂制备耐磨耐腐涂层在组织结构以及性能上皆实现了质的飞跃。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种具有高性能的热喷涂涂层，其特征在于：该涂层材料的化学成份及重量百分比为：Co，8～15％，Cr，3～8％，其余为碳化钨。

另外，在该涂层材料中还可以加入NiCrAlY，加入量为它与涂层材料质量之和的30～60％。

涂层材料以及涂层组织结构的变化与结合力的高低都会对涂层的耐磨耐腐蚀性能产生极大的影响。因此涂层的材料选择非常重要。

本发明技术方案中之所以选择WC，是因为WC粉具有很高的显微硬度，这是制备高抗磨损涂层的前提，但纯WC粉润湿性较差，不能直接用作热喷涂材料，必须和其他金属复合。Co元素的添加可以改善涂层脆性，对提高涂层耐磨性有益，同时Co在涂层中对WC硬质相起到粘结作用，使WC硬质颗粒通过Co粘结相的粘着作用搭建起一个结实的耐磨骨架，充分发挥其耐磨作用；Cr的添加是因为Cr元素具有高的抗高温腐蚀性能，Cr元素易在涂层表面形成稳定的钝化膜，这层钝化膜以氧化物的形式存在于涂层表面，此氧化产物本身具有优异的抗磨损抗腐蚀性能，而且它可有效阻止腐蚀溶液的侵入，抵抗腐蚀斑点的发生和扩散，从而保护整个涂层具有极佳的抗腐蚀性能，同时，Cr元素可以有效抑制粘结相Co的溶解，从而降低涂层的腐蚀速度，提高涂层的耐蚀性能。

NiCrAlY也是一种用来制备抗腐蚀涂层的常用的镍基粉末，它的加入可以进一步增强涂层与基体间的结合力，增加涂层的韧性，提高涂层抗腐蚀抗磨损性能。

本发明所述涂层的磨损失效机制为：在磨损过程中，软的粘结相Co在硬的摩擦副作用下首先被移除，随后WC颗粒失去Co的粘结作用而被研磨球所移除。故，当涂层实现了冶金结合后，很显然涂层的粘结相与硬质相结合力更强，摩擦力将很难将其移除，故其耐磨性将大大提高。

本发明所述的涂层的腐蚀机制：涂层的腐蚀都是从孔隙或裂纹等薄弱处开始，腐蚀介质首先侵入涂层孔隙内，由贯穿基体的孔洞渗透到基体，使基体发生腐蚀，腐蚀产物生长、扩散、蔓延，最终导致涂层剥落失效。而当涂层实现冶金结合后，涂层组织更加致密，孔隙率极低，这非常利于阻止腐蚀介质的侵入，防止局部腐蚀的发生，从而避免了腐蚀斑点的产生和扩散，极大地提高了涂层的抗腐蚀性能。

本发明技术方案所述涂层选择激光与大气等离子复合喷涂工艺加工，而不是单独的热喷涂工艺，是本着实现涂层冶金结合的目的，冶金结合可以实现高结合强度和高致密性，而高的结合强度与低的孔隙率是涂层具有高耐磨高耐蚀性的另一个主要原因。

附图说明

图1为传统热喷涂本发明涂层材料的金相显微组织结构

图2为复合喷涂本发明涂层材料的的金相显微组织结构

图3传统热喷涂WC-10Co4Cr涂层与基体的结合界面

图4复合喷涂WC-10Co4Cr涂层与基体结合界面

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

表一为本发明技术方案所述涂层材料的化学成份及其重量百分比的实施例列表。

表1

实施例	WC(％)	Co(％)	Cr(％)	NiCrAlY(％)	结合强度/MPa	抗腐蚀性能与传统涂层相比	抗磨损性能与传统涂层相比
								实施例1	84	8	8	-	103	8倍	3倍
实施例2	86	10	4	-	120	13倍	7倍
								实施例3	87	13	3	-	117	10倍	6倍
实施例4	85	15	3	-	116	12倍	5倍
								实施例5	60	7	3	30	124	17倍	6倍
实施例6	43	5	2	50	129	20倍	9倍
								实施例7	34	4	2	60	133	23倍	7倍

采用激光与大气等离子复合喷涂工艺，来制备本发明所述涂层，其工艺过程是：

1.试样的清洗与喷砂

2.向送粉器中加入喷涂粉末材料，粒度15～45um。

3.放好试样，调整复合喷涂距离，确定等离子喷涂参数和激光加工各参数，编写机械手喷涂程序。

涂层复合喷涂参数如下表2：其中等离子喷枪选用GE喷嘴(防WC烧损)

表2

粉末

电压

电流

送粉

间距

喷速扫描速度

喷距

主气Ar

次气H2

离焦量

激光功率

WC-10Co4Cr粉+NiCrAlY

45～65V

440～560A

1～4r/m

2mm

20～40mm/s

75～95mm

60slm

1.2～3slm

7～12mm

1.5～3.0KW

4.开冷却水，开冷却空气，开送粉器，开激光器，等离子喷枪起弧，运行机械手程序，喷涂开始，涂层制备完毕后，关掉喷涂设备和冷却***。

参见附图1～4所示，通过图1与图2，图3与图4的对比，分析得到本发明技术方案的优点。利用本发明中所述喷涂材料所制备的激光等离子复合喷涂耐腐蚀涂层，它实现了冶金结合，涂层微观组织结构和性能皆实现了质的飞跃。具体表现在涂层具有高的显微硬度及良好的韧性，涂层组织结构由层状叠加变为冶金结合(图2)，涂层与基体间也由机械结合变为冶金结合(图4)，其致密的组织，优异的微观结构可提高涂层颗粒之间的结合力，极大地增强了涂层的抗磨损能力，有效的阻止了腐蚀介质的侵入，从而提高了涂层的耐磨损耐腐蚀性能，使热喷涂制备耐磨耐腐涂层在组织结构以及性能上皆实现了质的飞跃，其结合强度100Mpa以上，耐磨性能和耐腐蚀性能达到传统热喷涂涂层的5倍以上。此涂层对于高性能涂层制备领域的发展以及对于提升武器装备的战斗力都具有重要的意义，具备广阔的应用前景。

Claims

1.一种具有高性能的热喷涂涂层，其特征在于：该涂层材料的化学成份及重量百分比为：Co 4％，Cr 2％，WC 34％，NiCrAlY 60％。