麻煩看官老爺們右上角點選一下“關注”，既友善您進行讨論和分享，又能給您帶來不一樣的參與感，感謝您的支援!
文|小昕
編輯|小昕
在磨損/腐蝕強烈的應用中使用WC-Co塗層在過去幾十年中已經發展成為一種成熟的工業實踐。這種金屬陶瓷塗層通常通過熱噴塗方法進行噴塗，例如大氣等離子噴塗(APS)、高速氧燃料噴塗(HVOF)和高速空氣燃料噴塗(HVAF)。
後兩種方法通常是優選的，因為它們具有較低的沉積溫度和産生高速氣流的能力，最終以經濟可行的方式産生緻密、硬質的塗層，其中WC的熱分解最小。
●○原料粉末、噴塗工藝和實驗裝置○●
尺寸為160×80×3毫米的鋼基闆(SAE1070)3塗有WC-17Co品質百分比的商業燒結粉末，粒度分布為(33+9)，粉末顆粒的形态可以在圖一中看到。這是掃描電子顯微鏡(SEM)中背散射電子(BSC)檢測器的圖像。
在沉積之前，在100mm距離處用中值尺寸為46微米的氧化鋁顆粒對基底進行噴砂處理，然後通過高壓空氣噴射和機械方法進行清潔，以去除基底表面上的任何殘餘砂礫。塗層沉積采用專利的“緊湊型HVOF”工藝完成包括等熵塞式噴嘴，以将廢氣加速到達到2.7馬赫的超音速。
噴槍的工藝參數事先在内部使用Oseir的SprayWatch系統進行了優化，以實作最佳的微觀結構(由最小孔隙率和粘結劑平均自由程以及最大WC體積%表示)和最高的顯微硬度，這發生在120mm的噴塗距離和90°的噴塗角度。
對20個塗層進行了幹滑動試驗，這些塗層在四個間隔距離(120、138、170和240mm)和五個噴塗角度(90、75、60、45和30°)下噴塗。所有被檢測的樣品都以502毫米/秒的一緻槍橫移速度進行噴塗。
在120和240mm的邊界噴射距離處的平均顆粒速度和溫度，由Oseir的SprayWatch系統測量。這些樣本被命名為(a1至e4)，以便在相關圖中識别它們的運動狀态。樣品名稱和各自的運動條件，其中顯示了磨損結果。
●○幹滑動試驗和磨痕形貌○●
磨損率(SWR)和平均摩擦系數(COF)以及顯微硬度、WC體積%和WC保留指數及其各自的名稱和運動條件。微觀結構結果在以前的工作中詳細讨論并與噴霧運動學參數相關聯。120mm的間隔距離和90°的噴射角是粒子飛行中發熱最小和撞擊時速度法向分量最大的最佳條件。
是以，它們可産生最佳的顯微硬度、孔隙率和WC密度，是以在本工作中采用的輕度磨損條件下，預計會顯示出最小的磨損損傷。鑒于此，塗層a1(90，120mm)的磨損性能可以用作關于噴塗距離和噴塗角度的影響的參考點。
塗層a1的比磨損率很好地一緻考察了HVOF、石墨碳化鎢-12Co的滑動磨損27和28其中WC-FeCrAl和WC-10Co4Cr塗層在相似的條件下被檢測。
此外，塗層a1似乎也具有最低的平均COF。在圖2可以看出，在120和138mm距離處噴塗的塗層在整個檢查的噴塗角度中在SWR方面表現相似。
從90°到75°的傾斜角似乎不會影響這些噴射距離處的SWR。超過75°後，在噴射角達到30°時，觀察到比磨損率顯著增加。在170mm的噴塗距離下，在所有噴塗角度下，所有塗層的磨損系數都明顯高于較短的噴塗距離。與傾斜噴射角相關的上升在90°和75°之間是溫和的(5%的增加)，并且以每次噴射角疊代30%的穩定速率上升，直到30°。
在240mm處，随着噴塗距離的增加，塗層的劣化是明顯的，同樣，不考慮噴塗角度，所有相關塗層呈現出比在較短噴塗距離下噴塗的塗層顯著更高的SWR。此外，240mm處噴射角度的影響與更短的噴射距離有很大不同。
出乎意料的是，從90°(a4)到75°(B4)的噴射角，耐磨性有了明顯的提高，SWR降低了23%，從75°開始，SWR随着噴射角度的增加而穩定增加，每次角度疊代增加15-30%。塗層e4表現出較差的耐磨性，其SWR比塗層a1高六倍以上。75°時SWR提高的原因可以追溯到微觀結構和機械性能的相關塗層，并将在本文後面詳細讨論。
雖然在120和138mm處噴塗的塗層在磨損體積損失方面表現相似，但很明顯，對于其餘的測試噴塗距離，噴塗距離的影響比減小噴塗角度對塗層磨損行為的影響更嚴重。噴灑距離的影響在傾斜角度較小的情況下最為嚴重，如90°和75°，在這種情況下，138mm後，SWR随着每次草皮疊代增加一倍以上。
随着噴灑角度變得更加傾斜，噴灑距離對SWR的相對影響較為溫和，但仍然大于噴灑角度的影響。有趣的是，測量的标準誤差随着噴射距離的增加而顯著增加，這表明在較長草皮的塗層上進行的體積損失測量中存在較大的分散。最終，增加的測量分散性可以解釋為在長距離噴塗的塗層的磨損軌迹中出現越來越多的大坑。
圖中包括用光學顯微鏡拍攝的磨痕圖像的集合，旨在比較測試塗層之間磨痕的宏觀形态特征。在短噴塗距離和接近垂直噴塗角度(a1、b1、a2、b2)下噴塗的塗層上，磨損痕迹不太明顯。在這些條件下，産生最小的磨損産物，并且在磨損軌迹上可以看到一些孤立的深色區域。
随着噴塗距離的增加和噴塗角度變得更加傾斜，在磨損軌迹上留下凹坑和深色材料的頻率急劇增加。此外，在170和240mm的噴射距離處，可以在磨損軌迹上發現大的剝落和凹坑。EDS和XPS分析表明，磨痕上較暗的區域主要由Co和W的氧化物以及一些微量的Al組成2O3反身。
這種形成通常在空氣中磨損的金屬陶瓷材料的磨損軌迹上發現，并且它們通常被稱為摩擦膜或轉移膜。可以看出，以30°的角度和大于120mm的距離噴塗的塗層(e2、e3、e4)幾乎全部被一層摩擦膜覆寫。這同樣适用于240mm處噴塗的所有塗層，不考慮噴塗角度(a4、b4、c4、d4、e4)。
已經确定，産生的摩擦膜來源于磨損碎屑的氧化、壓實/變形和燒結，這些磨損碎屑已經被捕獲在滑動表面之間，并且已經被塗抹在磨損軌迹上，侵入到由之前的材料損失導緻的任何表面空穴中。
然而，摩擦膜對金屬陶瓷塗層磨損行為的影響尚不清楚。某些作者認為它具有潤滑性能是由于摩擦生熱産生的某些氧化物的存在并有助于降低COF，而其他證明了在存在摩擦膜的情況下，COF實際上被提高了。
●○磨損痕迹的微觀結構○●
磨損軌迹邊界的特征是，通過比較磨損軌迹内部突出的WC晶粒和外部更光滑的表面光潔度，在幹滑動過程中出現的粘合劑擠出效應是明顯的，在圖中可以更詳細地看到磨痕外塗層的表面光潔度。
其中可以檢測到抛光磨料的輕微單向痕迹。此外，由于光滑的表面光潔度，WC晶粒邊界與周圍的粘結劑沒有明顯的差別。發現抛光塗層表面上存在一些不一緻，這些不一緻源于研磨和抛光步驟中WC的拔出，或者源于優先挖掘的弱粘結飛濺邊界，但它們很少發生。
由于周圍粘結劑的優先去除，磨損軌迹中的WC晶粒似乎被更好地限定，使它們更多地暴露于滑動的配對體。在滑動界面以下的較大深度處，粘結劑中存在塑性流動，因為滑動運動産生的所有塑性應變都被粘結劑完全吸收了。
反過來，粘合劑的塑性流動釋放了任何殘餘應力，這與通過擠壓局部消耗表面的粘合劑一起，使得表面的WC晶粒更容易拔出和斷裂。
從圖中可以更詳細地看到粘合劑擠出形成的雕刻形态，塗層a1主要表現出孤立的WC晶粒拔出位置。被拉出的相鄰WC晶粒産生凹坑，這些凹坑随後會在重複磨損下結合在一起，并演變成更大的凹坑。此外，有些地點有跨度接近10微米的大坑，坑内充滿壓實的磨損碎屑。
如上所述，較大凹坑的起源可能是通過較小凹坑的逐漸擴大和合并；或者，它們可以通過亞表面裂紋的連接配接和包含WC晶粒及其周圍粘合劑的塗層的較大碎片的剝落而形成。此外，這種隕石坑的事實接近預期的飛濺尺寸表明。
在某種程度上，它們可能是由于在這種磨損條件下經常觀察到的單個飛濺分層造成的。圖中顯示了小裂紋沿晶粒間和晶粒間擴充的位置。在以前檢查金屬陶瓷塗層幹滑動的工作中也觀察到了這種表面裂紋。
穿晶裂紋的存在表明(1)粘結劑-WC偶的高粘結強度和(2)粘結劑相的足夠高的韌性，這使得WC的斷裂優先于裂紋的晶粒間擴充，在塗層a1中相對較少。
指出在該位置形成的摩擦膜的塑性和磨損它的WC磨料的尺寸。即使磨損軌迹外的塗層表面不完全光滑，并顯示出遠處的凹坑(由于研磨/抛光階段的拔出)，塗層表面沒有裂紋，如圖4(f)所示。
除了WC拔出之外，在以短噴塗距離和接近垂直的噴塗角度噴塗的塗層中，還觀察到了磨損軌迹上表面WC去除的另外兩種主要機制(a1、b1、a2、b2)。
第一個問題涉及塗層中WC與共粘結劑(WC-簇)的比率非常高的區域的存活，這導緻由于周圍粘結劑稀少而導緻支撐不足。這些WC團簇源自起始顆粒的結構，其中它們最初在粉末生産的團聚和燒結階段形成。
已經證明這種WC團簇通常保留在塗層微觀結構中，現在可以看出，它們是滑動過程中最初去除未被支撐的碳化物顆粒的有利點。最後，一些表面WC晶粒由于過大的局部接觸應力而斷裂。由于沒有足夠的支撐，這種骨折導緻碎片的逐漸分離和去除，并且當松散的WC顆粒在滑動過程中像第三體磨料一樣起作用時被促進。
關于摩擦膜，它的形成是由磨損碎片産生和從系統中清除的相對速率決定的。一旦達到磨損碎屑産生的臨界速率，更多的碎屑被捕獲在滑動界面中，而不是從系統中去除，摩擦膜層逐漸形成。
此外，磨損軌迹上的摩擦膜覆寫率似乎與COF正相關，與耐磨性負相關。摩擦膜在滑動過程中似乎不提供任何潤滑。相反，在低載荷下的長時間滑動導緻其脆化，由于其連續的開裂和再生，這使得COF保持在高水準。