等离子喷涂法纳米结构WC-Co涂层的制备与性能

【摘要】：纳米材料因其奇特的性能在各个领域受到了广泛地关注。WC-Co涂层是目前一种广泛采用的涂层技术,WC相具有高硬度和高耐磨性,而Co相作为粘结相,使涂层具有一定的强度和韧性。WC-Co涂层以其良好的抗滑动磨损、磨料磨损、微动磨损和冲蚀磨损等性能,已被广泛用作航空、汽车等行业耐磨零件的保护层。对于WC-Co涂层的研究主要集中在常规微米涂层上,纳米结构WC-Co涂层的研究还很少,且主要集中在高速火焰喷涂方法的制备上,本文则采用等离子喷涂法制备纳米结构WC-Co涂层并对其进行显微组织的表征和力学性能的测试。 使用独特的“雾化干燥结合固定床技术”合成WC-12Co纳米复合粉体,利用等离子喷涂法制备纳米结构WC-Co涂层,通过X射线衍射、电子探针、扫描电镜、透射电镜等分析手段对等离子喷涂法纳米结构WC-12Co涂层进行显微结构分析,并在此基础上探讨纳米结构WC-12Co涂层的形成机理,测试了涂层的显微硬度、摩擦磨损以及结合强度等力学性能,同时从涂层的显微组织、力学性能等角度对纳米结构和常规WC-12Co涂层进行了比较。研究结果如下: 1.利用“雾化干燥结合固定床技术”合成WC-12Co纳米复合粉体,经X射线衍射、扫描电镜和透射电镜分析,纳米复合粉体由纯WC和Co两相组成,平均颗粒度为300nm,晶粒尺寸在80nm左右,为满足喷涂需求,将纳米复合粉体经雾化干燥进行造粒处理,纳米团聚颗粒尺寸在-280～+350目。 2.等离子喷涂纳米结构WC-12Co涂层呈现为典型的热喷涂涂层层状结构。喷涂后的纳米涂层组织内除了WC相,不仅有W_2C、W等非WC/Co相的产生,还出现了Co_xW_yC_z(Co_3W_9C_4、Co_3W_3C)、Co_3C等相及非晶和孪晶组织,其中Co_3C相及孪晶组织的出现未见有文献报导。 3.等离子喷涂纳米结构WC-12Co涂层的形成机理如下:1)在等离子焰中Co相熔化;2)WC溶解到熔化相Co内并分解;3)由于与氧的反应而脱碳使WC进一步溶解到Co相中;4)喷涂粒子高速撞击基体并迅速冷却,涂层中除了WC相外,还有Co_xW_yC_z(Co_3W_9C_4、Co_3W_3C)、Co_3C、W_2C、W及非晶的出现。 4.粒子在火焰加热过程中,从WC粒子中心至熔化相Co的径向方向上各相的可能排列方式:WC→W_2C→Co_xW_yC_z(Co_3W_9C_4、Co_3W_3C)→Co_3C→Co。从WC粒子中心至Co的径向方向上,随着C的向外扩散,W:C比例逐渐增大,先在WC粒子的周围生成了W_2C,又出现Co_xW_yC_z(Co_3W_9C_4、Co_3W_3C),并且C与Co