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影响HVOF涂层性能的若干因数,WC基涂层 浙江省阀门标计委技术交流 唐 文,随着热喷涂技术的迅速发展，热喷涂涂层的应用愈来愈多，全球对喷涂层的需求稳步上升如何获得高质量的涂层受到广泛关注，对此笔者根据近年来在热喷涂方面的应用经验提出了一些个人见解供大家参考和讨论，共同促进热喷涂技术的充分交流阀门行业尤其以HVOF喷涂的WC涂层应用最为广泛然而大多数从业者对于影响WC涂层质量的一些因数了解还不充分,下面从以下几个主要因数进行阐述及分析热喷涂概况,影响涂层性能的因数,喷涂材料 材料成份 制粉工艺 粉末粒度分布范围 材料密度、泊松比 微观颗粒形状 流动性 粉末粒子抗压强度 粘结相及硬质相组成 其他,喷涂条件 喷涂设备组成 预处理 喷涂燃烧条件 喷涂角度 枪管长度及喷涂距离 送粉速率 人员素质 工艺过程管理控制 检测分析手段 其他,材料成份,材料的成份选择取决于涂层的服役条件选择最优的涂层材料需要对喷涂材料及使用工况都要非常熟悉，同时结合热喷涂工艺参数的试验数据进行选择就WC基涂层而言，热喷涂材料在阀门行业根据粘结相的不同主要有WC-Co；WC-Co-Cr；WC-Ni；WC-CrC-Ni；WC-NiCrBSi；这其中根据成分比例不同又引申出不同种类的WC基涂层材料。

制粉工艺,1、团聚烧结粉末外形为球形，流动性优异；2、成份不易产生偏析,工艺性较好及制粉的综合性价比高；3、在HVOF喷涂粉末时吸热充分均匀所以团聚烧结的粉末应用更广泛,WC涂层主要的制粉工艺有如下三种,团聚烧结,烧结破碎,机械混合,,,,,-53µm+15µm；-45µm+15µm；-38µm+10µm；-30µm+5µm； 根据喷涂设备的不同以及涂层的性能要求不同，合理选择不同粒度分布的粉末就HVOFJP-5000喷涂设备来说,笔者认为-38µm+15µm粉末相对而言更容易获得细腻致密的涂层金相组织粉末粒度大熔化程度低获得的涂层孔隙率高；粉末粒度小获得的动能小，粉末获得的热量大，氧化物含量高，结合强度下降典型的HVOF喷涂粉末粒度分布,HVOFJP-5000喷涂WC-12CO涂层孔隙率对比,-38+10µm,-45+15µm,由上得出粉末粒度及粉末粒度分布对涂层孔隙率有影响，经过喷涂工艺参数优化可以获得更低孔隙率且致密的涂层致密,孔隙,粉末材料的密度越大、比重越高，粒子所获得的动能越大；粒子速度越高，对于基体的冲击相应越大，粉末粒子的扁平化程度越高，因而获得的涂层结合强度越高，涂层的粘聚强度就越高，涂层更加致密，因此涂层性能最好。

当然需要充分考虑粉末粒子的熔化程度，因此笔者根据多年喷涂经验选择了-38+10µm粒径的粉末作为最优选择流动性及粉末粒子本身的抗压强度,粉末流动性对于获得致密涂层及金相组织均匀的涂层非常重要，粉末流动性差容易引起喷枪枪管结瘤、涂层硬度变化大、涂层均匀性差粉末的抗压强度高，在喷涂过程中团聚颗粒不易破碎，进而WC颗粒烧损相变程度降低，WC硬质相完整，涂层脆性降低粘结相及硬质相组成,由于Co、Ni对于大多数金属基体湿润性良好及高温性能稳定,尤其以Co最为优良，因此WC金属陶瓷大多采用Co或他的合金作为粘结相，由下图可以看出湿润性良好的粘结相表面能最大，跟基体接触面积最大，所获得的涂层结合强度就越高,,,湿润性好 表面能大 获得结合强度高 且致密的涂层,常见HVOF系统 喷涂条件,几种不同类型HVOF系统喷涂的WC-12Co涂层比较,,根据设备使用的燃料不同可以分为液态燃料系统和气态燃料系统，其中最具代表性的是JP-5000和DJ2700型2种系统在进行系统选择时应充分考虑系统的工艺适用性及稳定性，还应考虑系统对于涂层所产生的应力状态等因数，稳定性是获得涂层质量稳定一致性及参数再现性最关键的一环，在条件允许的前提下应尽量考虑自动化程度高的系统,预处理,预处理包括基体表面清洁、表面喷砂状态、预热状态、非喷涂区域的保护方法。

预处理是零件在喷涂之前必不可少的工序，是热喷涂作业中很重要的一步据统计在阀门行业应用的涂层失效大多数都是表面预处理不当引起的涂层过早失效 基体预处理获得表面清洁度和粗糙度对涂层的结合质量有显著影响,黑斑部分经分析是基体预处理不当被污染在使用一段时间后涂层失效,界面污染,一个良好的界面制备可以获得良好的结合强度，界面污染产生的途径主要有：基体表面氧化、沙粒镶嵌、表面油污沙粒镶嵌的主要随着喷沙介质、压力、距离、沙粒大小、喷砂次数而改变；参考GB/T11373表面预处理通则良好的界面,严重的界面污染,,沙粒镶嵌,基体预热,预热是提高工件表面与熔粒的接触温度，有利于熔粒的变形和相互咬合，提高沉积率；降低熔粒的冷凝速度，降低晶格内应力；使基材产生适当的热膨胀，在喷涂后随涂层一起冷却时，减少两者收缩量的差别，降低涂层的内应力；去除工件表面的水分但预热需要充分考虑基体表面氧化、变形等因数，预热最好是在喷砂前，HVOF涂层对于钢铁基体一般预热温度在100-150C°比较合适预热宜采用中性火焰喷涂气氛,这里所指的喷涂气氛为喷涂焰流性质及氧，燃料配比 关于JP-5000的完全燃焼条件 喷涂条件,喷涂角度对于涂层的影响,喷涂角度一般为0°～45°，当喷涂角度 大于45°时，会产生所谓的“遮蔽效应”，使涂层形成许多不规则的空穴和 涂层中氧化物夹杂含量增加，大大降低涂层的性能。

最 佳 角 度 选 择 区,由下表可以看出喷涂角度越大,沉积效率越低,硬度呈稳态,喷涂角度越大,干湿磨损失重也越高,在15°喷涂角时，涂层孔隙及粗糙度在最大值;随着喷涂角度加大涂层越致密,涂层孔隙率对于涂层耐腐蚀性能影响较大,由上可以得出喷涂WC涂层时通过提高喷涂角度可以获得金相组织更精细致密的涂层,但是沉积效率会大幅下降,涂层粘聚强度下降进而影响涂层耐磨损性能及结合强度因此在进行涂层工艺设计时需对涂层服役条件进行综合考虑喷涂距离及枪管长度的影响,不同喷涂距离及不同枪管长度和喷涂温度及粒子速度模型,沉积效率影响,涂层硬度影响,喷涂距离对湿环境磨损影响较小,枪管长度影响较大然而在干磨损试验中看不到明显的区别.,从上图分析得出最佳的喷涂距离是粒子速度及温度都达到临界值,而长的枪管由于对粉末颗粒加热充分同时焰流速度更高,对于粒子充分变形铺展有利,所以获得的涂层也越致密,WC-10Co-4Cr,WC-10CO-4Cr,随着送粉量的增加沉积效率降低,涂层硬度及孔隙增加,同时涂层由于单道沉积过厚涂层应力也相应增加,并有分层剥落的风险（上图可以明显看到的层状分布) 送粉量100g/min;单道涂层厚度20µm,人员素质,热喷涂涂层工艺及喷涂施工是一个系统的工程,工艺设计人员需要考虑材料、设备能力、服役条件、工艺可行性、涂层后处理等等因数。

对于操作人员需要严格遵循工艺制度,还需要有非常丰富的现场经验及专业知识随着对涂层的要求越来越高，对各方面的人员提出了更高的要求这就需要一个非常专业的团队进行紧密协作才能发挥出超强的潜能工艺过程控制,工艺过程控制包括 涂层原辅料质量控制 基体检查 预处理控制 喷涂参数控制 过程温度控制 涂层厚度控制 后处理控制 成品检查包装控制,工艺流程图 服役条件分析(失效分析) ----材料准备----工艺分析开发------工艺试验----工艺确定----试生产----分析----质量控制计划----喷涂----分析---后处理----服役状况跟踪分析----设计优化（提高）-----控制,评定涂层性能有很多指标是共同的，但不是所有的涂层都要求同样的性能指标，而是取决于涂层特定的使用要求检测分析,涂层金相检测涂层孔隙率、氧化物含量、交界面污染、组织形貌、金相组成等 涂层力学分析结合强度、显微硬度、剪切强度等 喷涂材料分析成份、粉末形貌、粒度及分布、硬质相颗粒大小、松装密度、 流动性 常规测量涂层厚度、粗糙度、外观、涂层均匀度、尺寸等 使用性能分析热震试验、盐雾腐蚀、干湿磨损试验、冲击试验、疲劳强度试验,金相检测,孔隙率检测方法如下： 浮力法 直接称量法 喷涂层电解着色法 渗透液体的称量法 高压放电试验 金相法 根据透气性进行比较的方法,外观检查条件,目测涂层表面缺陷应该在外观检验工作台上，采用自然照明，试样应放置在无反射光的白色平台上，利用自然散射光进行检查。

采用人工照明时，应采用照度为300lx的近似自然光（相当于40W日光灯500 mm处的照度）目测检查时，试样和肉眼的距离不小于300mm,特殊情况允许采用2~5倍的放大镜检查力学性能检测,结合强度：拉伸试验法，利用试验工具或设备使试样承受垂直于涂层表面的拉伸力，直至涂层剥离，几下破坏时的载荷，以试样的断面积除以载荷值，即： PL=FL/S PL为涂层结合强度（N/mm2） FL为拉伸极限载荷（N） S为涂层与基体结合面积（mm2）注：S有标准值，不同地区的标准，S值不一样常用的拉伸试样涂层粘结剂为CX-212，E-7胶涂层实用性能检测,耐磨性能磨粒磨损试验，摩擦磨损试验，冲蚀磨损试验，疲劳磨损试验 耐腐蚀性能大气暴露试验，盐雾试验，二氧化硫工业气体腐蚀，湿热腐蚀试验等 高温氧化及耐热性能,结论,热喷涂是一门发展中的技术，又是一门涉及材料、表面物理、表面化学、冶金学、热学、电学、磁学、流体力学等众多学科的边缘学科，因此目前尚存在众多的现象、机制有待去明了、解剖，尚存在众多的困难有待去克服，建立系统的热喷涂学将是一个漫长的过程 热喷涂技术的应用主要受热喷涂材料和工艺设备发展的限制热喷涂技术紧紧围绕着提高涂层质量这一首要要求，主要提高涂层的结合强度和致密度，开发多种热喷涂新设备和新材料。

获得高质量、高性能的涂层是涂层制备工艺研究的一个重大课题（1）、涂层材料的选择及涂层的前、后处理2）、调整喷涂过程的工艺参数与改进涂层设备；,谢谢大家支持!,紧密合作交流,促进国内热喷涂 硬密封阀门技术发展联系方式:13917445248 E-MAIL:tangwen1025@特别感谢湖北普安阀门有限公司: 杨易,。