文章编号：1004-0609(2010)S1-s0997-05
TC4钛合金表面WC基耐磨涂层制备
杨伟华, 周海滨, 王 纯
(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术国防科技重点实验室，北京 100024)
摘 要：采用等离子喷涂的方法在TC4钛合金表面制备适用于太阳翼铰链结构的WC基耐磨涂层，对影响涂层性能的关键工艺参数进行分析。结果表明：所制备的涂层孔隙率小于5%，显微硬度(HV0.3)为880.2，WC颗粒含量大于45%(质量分数)，与TC4基体的结合强度为61.0 MPa，涂层表面粗糙度Rz为30.6 μm；主气流量、喷涂功率和喷涂距离对涂层性能影响较显著。
关键词：TC4钛合金；太阳翼；铰链；WC涂层；等离子喷涂
中图分类号：V461 文献标志码：A
Preparation of WC coatings for TC4
YANG Wei-hua, ZHOU Hai-bin, WANG Chun
(National Key Laboratory of Science and Technology on Power Beam Process,
Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)
Abstract: WC coatings were deposited on TC4 by plasma spray technology for solar wing hinge. The plasma spray process was studied. The results show that porosity of the coating is less than 5%, micro-hardness (HV0.3) is 880.2, the content of WC particles in the coatings is more than 45% (mass fraction), and the bonding strength of the coatings on TC4 is 61.0 MPa, the roughness (Rz) of the coating is 30.6 μm. The main gas flow, plasma energy and spray distance are the key parameters.
Key words: TC4 titanium; solar wing; hinge structure; WC coatings; plasma spray
随着空间技术的发展，越来越多的航天器带有可展开的太阳翼，考虑到运载工具空间的限制和在发射过程中要承受较大的过载，在发射阶段太阳翼一般呈收拢状态，直到飞行器与运载工具分离并进入自由飞行轨道后方可解锁展开[1-2]，为航天器提供能源。航天器太阳翼是空间飞行器电源分系统的重要组成部分，其可靠性直接关系到整个航天器的成败。太阳翼的展开总是围绕着各种类型的铰链机构进行[3]。由于太阳翼铰链间存在不可避免的间隙，在展开过程中，由于结构的巨大变化，往往诱发太阳翼的内碰撞，这些碰撞力往往较大，能够引起剧烈振动，甚至能够影响到航天器本体的姿态运动及太阳翼展开精度和稳定性，从而影响航天器系统的动力学性能。因此，适用于太阳翼铰链结构(如轴承套等)的耐磨涂层不仅需要具有一定的耐磨性，而且须与基体结合良好(抗振动)，表面具有一定的粗糙度(传动、控制姿态)。根据零件结构(铰链)和材料(TC4钛合金)特点，选择等离子喷涂工艺在零件表面喷涂WC-12Co耐磨涂层。这是因为等离子喷涂把金属或陶瓷粉末送入高温的等离子体火焰，以使喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，在高速等离子体焰流的加速下，高速撞击工件表面，经变形、凝固而形成涂层[4-5]，等离子喷涂具有工艺重现性好、操控便捷、涂层材料无污染、基体热影响小等特 点[6-8]。
经过与客户协商确定适用于太阳翼铰链结构的等离子喷涂WC耐磨涂层必须满足如下技术指标：
1) 孔隙率不大于5%；
2) 显微硬度(HV0.3)小于800，WC含量大于45%；
3) 与基体结合强度不小于55 MPa；
4) 涂层表面粗糙度不小于20 μm。
针对太阳翼铰链结构的耐磨需求，本文作者研究等离子喷涂方法制备WC基耐磨涂层制备工艺及涂层特性以满足产品需求。
1 实验
1.1 试样制备
在TC4(Ti6Al4V)基体上，采用等离子(美国7MB等离子喷涂系统)喷涂WC-12Co(粒度为10~45 μm，如图1所示)作为耐磨涂层，厚度为0.15~0.25 mm，图2所示为WC耐磨涂层示意图。
图1 WC-12Co粉末典型形貌
Fig.1 Microstructure of WC-12Co powder
图2 WC涂层示意图
Fig.2 Sketch of WC coating
1.2 金相观察
根据GB/T 13298和GB/T 4340.1—1999，对涂层垂直基体的剖面进行进行金相观察，测定涂层的孔隙率、显微硬度和WC颗粒的含量。
1.3 结合强度
根据HB5476-91，采用对偶拉伸法测定涂层与基体的结合强度。
2 结果与讨论
2.1 主气流量对涂层性能的影响
等离子喷涂的主工作气体通常为氩气，其流量大小对涂层性能具有显著的影响，如图3所示。
图3 主气流量对涂层性能的影响
Fig.3 Effect of main gas flow on performance of coating
在喷涂功率25 kW，喷涂距离70 mm时，氩气流量大于70 L/min，WC颗粒含量大于45%，涂层与基体结合强度大于55 MPa。这是因为主气流量增加强化了Ar对WC颗粒的保护，同时提高了喷涂材料粒子的速度，缩短了其在等离子焰流中的时间，减轻了WC颗粒的烧损，因此，涂层中WC颗粒含量有所增加；另外粒子飞行速度的增加，使粒子变形更加充分，强化了“抛锚效应”，提高了涂层的结合强度。
2.2 喷涂功率对涂层性能的影响
等离子焰流的功率也会对涂层性能产生较明显的影响，选择合适的喷涂功率能够获得合适的涂层性能，喷涂功率对涂层性能的影响如图4所示。
在主气流量为80 L/min，喷涂距离为70 mm的条件下，当喷涂功率25 kW时，涂层中WC颗粒的含量大于45%，同时结合强度能够达到61 MPa；当喷涂功率为20 kW时，尽管涂层WC颗粒含量更高，但是喷涂材料粒子熔化不充分，涂层结构较松散，因此结合强度不高；当喷涂功率为30 kW时，喷涂材料粒子熔化充分，涂层致密，与基体结合强度较高，但由于功率过高，WC颗粒烧损严重，涂层中WC颗粒含量降至38%。
图4 喷涂功率对涂层性能的影响
Fig.4 Effect of spray powder on performance of coating
2.3 喷涂距离对涂层性能的影响
喷涂距离也是等离子喷涂工艺的关键参数之一，如果喷涂距离过近，喷涂粒子加速不充分，涂层性能难以控制，同时会对工件造成热损伤；喷涂距离过远，喷束发散，涂层松散，亦不能满足使用要求。喷涂距离对涂层性能的影响如图5所示。
在喷涂功率为25 KW，主气流量为80 L/min的条件下，喷涂距离为70 mm时，涂层孔隙率为4.3%；喷涂距离大于70 mm时，涂层孔隙率迅速增加；喷涂距离大于80 mm后，涂层孔隙率增速放缓。这说明喷涂距离在70~80 mm时，随喷涂距离增加，喷涂粒子变形能力迅速变差，导致孔隙率迅速增大；喷涂距离超过80 mm后，随喷涂距离增加，喷涂粒子变形能力衰减变慢，所以孔隙率增速亦放缓。从图5还可发现，涂层结合强度随着距离的增加呈现出下降的趋势，这是由于随着距离的增加喷涂材料粒子速度和表面温度
图5 喷涂距离对涂层性能的影响
Fig.5 Effect of spray distance on performance of caoting
均有所下降，导致“抛锚效应”变弱。
2.4 喷涂参数的选择
综上所述，适用于太阳翼铰链结构的耐磨涂层等离子喷涂工艺参数如表1所示。
表1 适用于太阳翼铰链结构的耐磨涂层制备工艺
Talbe 1 Preparation parameters of coating used for hinge structure of solar wing
图6 典型WC涂层截面组织
Fig.6 Microstructure of WC coating
2.5 耐磨涂层的特性
2.5.1 孔隙率
由于等离子喷涂工艺的特点，在涂层内部，变形颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4%～20%之间。合理控制孔隙率有利于通过微裂纹增韧来提高涂层的韧性。在采用文中所选参数制备的WC基耐磨涂层垂直截面上任选10个类似图6的区域进行金相观察，分别测量涂层孔隙率，结果如图7所示。
涂层孔隙率基本保持在4.0%~4.5%之间，10个取样点的平均值为4.3%，小于5%的技术指标要求。
图7 涂层孔隙率测量结果
Fig.7 Porosity of coating
2.5.2 WC颗粒含量
镶嵌在Co基体间的WC颗粒是涂层中起耐磨作用的关键材料，但是其抗氧化性较差，在等离子焰流中加热时烧损非常严重，形成W2C。尽管其硬度更高，但是会使涂层变脆，在冲击力作用下易发生剥落。因此，控制耐磨涂层中WC颗粒的含量非常关键。
通常WC颗粒含量大于45%时，涂层的显微硬度能够达到800以上，涂层具有非常好的耐磨性和抗冲击性。所选样本点的WC颗粒含量和显微硬度的实测值如图8和图9所示。
可见：涂层WC颗粒含量保持在45%~55%之间，10个取样点的平均值为50%，大于45%；显微硬度基本保持在800~900之间，10个取样点的平均值为880.2，能够满足技术指标要求。
2.5.3 结合强度
等离子喷涂工艺过程中，喷涂材料粒子在等离子
图8 涂层WC颗粒含量测量结果
Fig.8 WC content of coating
图9 涂层显微硬度测量结果
Fig.9 Microhardness of coating
焰流中加热、加速，撞击基体变形，主要依靠“抛锚”作用与基体结合在一起，属于典型的机械结合；涂层形成过程存在熔化、凝固的过程，不可避免存在一定的热应力，使涂层存在剥落趋势。控制工艺提高涂层与基体结合强度是提高涂层性能的重要手段。WC基涂层与TC4基体的结合强度为61 MPa(任选6个标准试样作为样本点)，能够满足太阳翼铰链结构的工况使用，具体测量值如图10所示。
图10 涂层结合强度测量结果
Fig.10 Bonding strength of coating
2.5.4 粗糙度
由于铰链结构在太阳翼中起传动和控制姿态作用，因此，耐磨涂层必须具有一定的粗糙度，涂层实测值如图11所示(任选10个区域作为测量样本点)。
可见：涂层表面粗糙度基本保持在25~35 μm之间，10个取样点的平均值为30.6 μm，能够满足太阳翼铰链结构的使用要求。
图11 涂层的粗糙度
Fig.11 Roughness of coating
3 结论
1) 采用等离子喷涂方法能够喷涂在TC4表面喷涂适用于太阳翼铰链结构的WC-12Co耐磨涂层。
2) 等离子喷涂工艺中，主气流量、喷涂功率和喷涂距离与涂层的孔隙率、WC颗粒含量和结合强度等性能密切相关。
3) TC4钛合金表面，等离子喷涂WC基涂层性能如下：孔隙率为4.3%，显微硬度(HV0.3)为880.2，与TC4基体结合强度为61 MPa，涂层表面粗糙度约为30.6 μm。
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(编辑 赵 俊)
通信作者：杨伟华，工程师；电话：13671357580；E-mail：junioryang@sina.com
