文章编号：1004-0609(2013)S1-s0776-05
TC4-DT表面WC涂层微动磨损性能
杨伟华
(中航工业北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室，北京 100024)
摘 要：在TC4-DT钛合金表面采用超音速火焰喷涂的方法制备WC10Co4Cr涂层，并评估涂层孔隙率、显微硬度、结合强度和抗微动磨损性能。结果表明：涂层孔隙率可以控制在1%以下，其显微硬度高达1 000 HV0.3，结合强度大于70 MPa，其点接触微动耐磨损性能是基体的30倍。
关键词：TC4-DT；超音速火焰喷涂；WC10Co4Cr涂层；微动磨损
中图分类号：TG174.4 文献标志码：A
Fretting wear performance of WC coatings on TC4-DT
YANG Wei-hua
(Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory, Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)
Abstract: WC10Co4Cr coatings were prepared by high-velocity-oxygen-fuel spray process on TC4-DT alloy. The coating porosity, microhardness, bonding strength and anti fretting-wear performance of the coatings were evaluated. The results indicate that the porosity is less than 1%, the microhardness is more than 1100 HV0.3, the bonding strength is more than 70 MPa. And the anti fretting-wear performance of the coatings is about 30 times more than that of the substrate.
Key words: TC4-DT; high velocity oxygen fuel; WC10Co4Cr coatings; fretting wear
中强度高损伤容限钛合金TC4-DT(Ti6Al4V ELI)具有高比强度、耐腐蚀、抗高温等性能，在美国F-22“猛禽”第四代战机上得到了充分验证和广泛应用[1-2]。但是由于钛合金的电子层、晶体结构和热传导率等特性致使其抗微动磨损性能很差，易发生粘着磨损、磨粒磨损和氧化腐蚀等[3-4]，必须对其采用表面工程的方法进行防护，常用的表面防护方法有热喷涂、电镀、激光表面处理、有机涂层等[5-8]，其中热喷涂由于经济性、环保性和便于操作等特点成为重要的防护手段。
超音速火焰喷涂技术是BROWNING博士于1982年发明的技术，该工艺是将可燃气体/雾化煤油与氧 气/压缩空气在燃烧室内燃烧，通过拉瓦尔管(压缩-扩张)加速，形成温度2600 °C以上、速度高达2000 m/s以上的高温高速焰流；将粉末粒子送入焰流中加热、加速到500~800 m/s以上，材料粒子处于熔化/半熔化状态，撞击基体形成涂层的热喷涂技术。自从20世纪80年代末首款商用系统诞生以来，超音速火焰喷涂技术在航空航天、石油化工、电力、造纸、钢铁及汽车等诸多领域获得了广泛的应用[9-10]。
本文作者主要针对TC4-DT钛合金的耐微动磨损需求，在其表面采用超音速火焰喷涂的方法制备WC10Co4Cr涂层，并评估其孔隙率、显微硬度、结合强度，通过与基体性能的对比，评估了WC10Co4Cr涂层抗微动磨损性能。
1 实验
1.1 试样制备
将TC4-DT钛合金钢基体加工成20 mm×10 mm×5 mm和d 25 mm×10 mm，分别用于涂层组织检查和结合强度测量；涂层粉末采用WC10Co4Cr粉末(成都大光公司生产，10 ~50 μm)，粉末形貌如图1所示，XRD谱(见图2)表明粉末主要由WC和Co组成。
图1 WC10Co4Cr粉末的SEM像
Fig.1 SEM image of WC10Co4Cr powder
图2 WC10Co4Cr粉末的XRD谱
Fig.2 XRD patterns of WC10Co4Cr powder
1.2 涂层制备方法
在TC4-DT基体表面采用超音速火焰喷涂(EvoCoat系统，WokaJet410喷枪，苏尔寿-美科生产)技术制备0.20 mm的WC10Co4Cr涂层，基体表面用24棕刚玉吹砂处理后进行涂层喷涂，喷涂工艺参数如表1所列。
1.3 涂层性能表征
1.3.1 孔隙率和显微硬度
涂层组织性能将决定涂层性能的好坏，为此采用光学电金相显微镜和扫描电镜(JSM-6510)对涂层截面形貌进行了观察，通过定量金相的方法测量了涂层的孔隙率，并测量其显微硬度。
1.3.2 涂层结合强度
涂层与基体的结合效果可以用涂层结合强度表征，可以间接体现其在外加载荷作用下的防护效果，依据航空工业标准HB5476—91采用对偶拉伸的方法对涂层的结合强度进行测量，测量方法示意图如图3所示。
表1 涂层制备工艺参数
Table 1 Parameters of coatings
图3 结合强度测量方法示意图
Fig.3 Scheme of test method of bonding strength
1.3.3 微动磨损性能
涂层与基体的微动磨损性能采用球-盘点接触进行，具体试验条件如表2所列。
表2 微动磨损测量参数
Table 2 Parameters of fretting-wear test
2 结果与讨论
2.1 涂层孔隙率和显微硬度
涂层金相组织如图4(a)所示，可以看出，涂层呈现典型的层状结构，由于超音速火焰喷涂工艺将喷涂粒子加速至700 mm/s左右，涂层粒子变形充分，组织均匀，与基体敏米结合在一起。通过定量金相的方法获得涂层孔隙率小于1%，经测量涂层显微硬度1083.1 HV0.3，满足ASTM—2447标准的要求。
涂层的低倍SEM像如图4(b)所示。可以看出涂层内部孔隙细小、均匀，约1 μm，基本呈圆形分布。这种结构有利于在受到外力作用时吸收能量，避免载荷冲击过大引起涂层剥落和掉块。
图4 涂层剖面组织形貌
Fig.4 Metallographs of cross-sections of coatings
涂层的高倍SEM像如图4(c)所示。可以看出，涂层中2~3 μm粒径均匀分布的WC颗粒被CoCr合金粘结相包围，紧密地连接在一起，避免了由于WC塑性不足造成涂层松散、脱落，同时WC颗粒由具有非常高的硬度，所以，制备的涂层将提供给材料表面良好的耐磨性能。
2.2 涂层结合强度
由图4可以看出，涂层与基体间具有非常好的结合效果，变形粒子通过典型的“抛锚作用”钩嵌联合在一起，形成典型机械结合结构。
涂层结合强度测量结果如图5所示，样品测量值均大于70 MPa，平均值72.8 MPa，达到了AMS—2447的技术要求，能够作为重要承力结构耐磨涂层使用。
图5 WC10Co4Cr的涂层结合强度
Fig.5 Bonding strength of WC10Co4Cr coatings
2.3 涂层微动磨损性能
微动磨损性能主要通过微动磨损量和微动摩擦因数来表征。
微动磨损量(FWR)采用如下公式进行计算：
(1)
式中：V为磨损引起的体积损耗；L为载荷；D为载荷作用距离。测量结果如表3所列。
表3 微动磨损测量结果
Table 3 Fretting-wear test results
测量结果表明，涂层样品的磨损量仅为基体的1/31，磨痕的三维形貌更形象地反映了涂层与钛合金基体的抗微动磨损能力；磨痕的扫描电镜形貌显示钛合金在微动载荷作用下呈现出典型微动磨损失效过程、由粘着、撕裂至脱落，磨痕形貌如图5所示。
随着时间的延长，钛合金基体进入4×103个循环、涂层进入1.6×104个循环，摩擦副间的跑合结束，摩擦因数进入平稳期；由于钛合金材料为均匀金属基体，一直保持平稳，而达到2.6×104个循环后，随着粘结相的磨损殆尽，涂层中出现WC颗粒的剥落，表现为摩擦因数的定期波动，周期约为4×103个循环，基本呈现出微动疲劳的失效特征，如图6所示。
图5 微动磨损测试后磨痕形貌
Fig.5 Appearances for coatings after fretting wear test
图6 涂层摩擦因数随时间的变化曲线
Fig.6 Changing curves of frictional coefficient with time for coatings
3 结论
1) 超音速火焰喷涂可以在TC4-DT表面制备WC10Co4Cr涂层，涂层具备典型的热喷涂涂层特征。
2) WC10Co4Cr涂层孔隙率小于1%，显微硬度大于1 000 HV0.3，结合强度大于70 MPa，能够作为各种承力结构的抗微动损伤防护涂层使用。
3) WC10Co4Cr涂层可以实现TC4-DT钛合金的抗微动磨损防护，磨损量仅为基体磨损量的1/31，同时改变了基体粘着、撕裂、脱落的失效模式，呈现出一定微动疲劳失效特征。
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(编辑 龙怀中)
收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10
通信作者：杨伟华,高级工程师；电话: 010-85701493-604; E-mail: junioryang@sina.com
