300M钢超音速火焰喷涂WC涂层的抗冲击性能施工电梯

300M钢超音速火焰喷涂WC涂层的抗冲击性能

300M钢超音速火焰喷涂WC涂层的抗冲击性能 2011： 超音速火焰喷涂( HVO/ AF) WC/ 17Co涂层因对基体的疲劳性能影响较小和涂层具有良好的耐磨性能而作为电镀硬铬的替代涂层，然而WC/ 17Co涂层的抗腐蚀性能较差，为此人们提出采用WC/ 10Co4Cr涂层以提高涂层的耐腐蚀性能。两种涂层的最明显的区别是金属含量不同，这将对涂层的断裂韧性和抗冲击性能有着重大的影响。HVO/ AF WC/ 17Co涂层替代电镀硬铬最典型的应用是在飞机起落架中。飞机在跑道上高速运动过程中高速砂砾会冲击涂层表面，以及在维修过程中工具掉落在涂层表面，从而造成涂层的破坏。本研究主要以300M超高强钢作为基体，模拟上述两种情况，研究HVAF WC 涂层的抗冲击性能，并和电镀硬铬的性能进行对比。一、试验方法1. 喷涂和样品的制备300M低合金钢具有高的强度和较好的断裂韧性，在航空航天、建筑和兵器等工业中有广泛的应用。将300M钢线切割成尺寸分别为50mm×8mm和50mm×200mm 的试样。喷涂前在丙酮中将试样超声除油，然后在0.4 MPa 压力下进行喷砂前处理。采用HVAF枪( Unique Coat 公司) 制备HVAF WC涂层，喷涂工艺如表1 所示。粉末原料为WC/17Co和WC/10Co4Cr ，其制备方法均为团聚、烧结，粉末粒径均为5～30μm。为测量HVAF WC 涂层的断裂韧度，涂层厚度为300μm左右；而在抗冲击测试中，涂层的厚度均为100μm。

2. 试验和表征采用显微压痕法测量不同载荷下HVAF WC涂层的断裂韧度。采用两种方法评价两种WC 涂层和电镀硬铬层的抗冲击性能： 一种按照AST M D3170标准进行涂层的抗碎裂性评价，其示意图如图1所示；另一种为落球试验。将一重量为0.9磅的钢球分别从24 、60 、72 、93和102in高度垂直落在有涂层的300 M 钢平板上，如图2所示。图2为落球在有涂层的棒上形成的裂纹方向，该方向与时钟所表示的方向相同。

采用JSMSL5910 型扫描电镜和Leica DMI MR 金相显微镜对冲击所形成的裂纹进行显微分析。二、结果与讨论1. 断裂韧度断裂韧度是评价材料抗冲击性能的一个重要指标。图3为50N载荷下HVAF WC- 17Co和WC-10Co4Cr涂层的显微压痕，从图3中可以发现，在与基体平行方向的压痕边角处两种HVAF WC涂层观察到明显的裂纹，而在与基体垂直方向没有发现有任何裂纹。这表明HVAF WC 涂层尽管在宏观上呈现均匀结构，但在微观角度上还是出现明显的层状结构。

两种HVAF WC 涂层的断裂韧度可以通过Lawn和Fuller(简写为LF) 公式和Evans和Wilshaw ( 简写为EW) 公式得到，两种公式的表达式如下式所示：

上式P为载荷( mN)；a为压痕半对角线均值μm)；c为从压痕中心到裂纹末端的距离( μm) 。然而，当压痕载荷低于30N时在压痕中观察不到有裂纹出现。不同载荷压痕下两种HVAF WC涂层LF公式和EW公式中的参数如表2所示。从表2可知，WC-17Co 比WC-10Co4Cr的断裂韧度略高；该结果也与涂层中金属含量相一致。电镀硬铬由于镀层厚度有限，不能采用显微压痕法对其断裂韧度进行测量。

. 抗碎裂性能三种涂层经砂粒冲击后的显微组织如图4 所示，WC—17Co 和WC—10Co4Cr 涂层没有明显的区别， 但在电镀硬铬中观察到有粒子的剥落现象。

3. 落球测试表3为三种涂层在不同高度下钢球落下后在3:00和12:00 位置的裂纹统计情况， 由于在12:00位置承受更大的应力集中， 因此在该位置上涂层的裂纹数均比在3:00 位置多。当钢球从0. 6096m(24in) 位置落下后， WC-17Co涂层在12:00 和3:00 位置中都没有观察到有裂纹; 而在WC-10Co4Cr 中可以容易观察到裂纹;对于电镀硬铬， 则在2:00 位置有裂纹， 在3:00位置没有裂纹。图5 为不同高度下在12:00 和3:00 位置裂纹数的统计图。图5表明， 在12:00和3:00位置WC- 10Co4Cr涂层均比电镀硬铬和WC-17Co涂层多，其抗冲击性能排序为: WC-17Co> 电镀硬铬>WC-10Co4Cr。两种HVAF WC涂层的抗冲击性能对比与其相应显微压痕得到的断裂韧度大小一致。

4. 裂纹观察落球试验后WC 涂层和电镀硬铬层的裂纹如图6所示。由图可知，WC 涂层中的裂纹沿弯曲的路线扩展，而电镀硬铬中的裂纹没有发生明显的偏斜。文献表明，WC-Co ( Cr) 涂层中的裂纹主要在粘结相如Co 或CoCr相中扩展，其中的WC 颗粒起裂纹偏斜的作用。此外，在电镀硬铬中观察到连接两平行裂纹的裂纹，三、结语(1) 采用显微压痕法测量了WC-17Co和WC-10Co4Cr的断裂韧度，WC-17Co涂层比WC-10Co4Cr涂层的断裂韧度略高。(2) 三种涂层的抗碎裂性试验表明，WC-17Co和WC- 10Co4Cr 涂层没有明显的区别，而在电镀硬铬中观察到颗粒剥落现象。( 3) 落球试验表明，WC-17Co比WC-10Co4Cr涂层的抗落球冲击强，而电镀硬铬在这两种涂层之间。( 4) 落球测试后涂层的裂纹观察表明，WC涂层中的裂纹呈弯曲扩展; 而电镀硬铬中的裂纹没有明显的偏斜，而且镀层中的残余应力对电镀硬铬的抗冲击性能有负面影响。(end)

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