维普资讯 http://www.cqvip.com 第３Ｏ卷２００７年 第２期 ３月 兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．．２００７ 热喷涂铜基Ｗ涂层工艺性能研究 简中华，马壮，王富耻，曹素红 （北京理工大学材料科学与工程学院，北京１０００８１） 摘要：采用超音速火焰（ＨＶＯＦ）和等离子喷涂工艺制备铜基体Ｗ涂层，分析涂层的组织形貌，测定等离子喷涂Ｗ涂层 的孔隙率、显微硬度和结合强度，并考察该涂层的压缩性能。结果表明：ＨＶＯＦ制备Ｗ涂层时，钨颗粒加热熔化不充分，主 要以固态颗粒形式撞击基体，不能形成连续涂层；等离子喷涂ｗ涂层时，钨颗粒熔化充分，铺展变形改善，涂层致密，平均 孔隙率为２％，显微硬度为３１５ＨＶＯ．１；等离子喷涂ｗ涂层与铜基体结合质量较好，结合强度可达３６ ＭＰａ，经压缩变形后与 铜基体结合较好，涂层未出现整体剥落，二者具有较好的协调变形能力，随压缩载荷增加，涂层和基体变形量差值增大，涂 层边角部分孔隙增加，结合能力变差。 关键词：热喷涂；Ｗ涂层；压缩；延伸率；结合强度 中图分类号：ＴＢ３３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ００４—２４４Ｘ（２００７）０２—００２７—０４ ・ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｈｉ＃ｖｄｏｅｉｔｙ ｏｘｙ－ｆｕｅｌ ａｎｄ ｐｌ￣ｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｗ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ ｃｏｐｐｅｒ ｓ￣ｓｔｒａｔｅ ＪＩＡＮ Ｚｈｏｎｇ—ｈｕａ，ＭＡ Ｚｈｕａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｆｕ—ｃｈｉ，ＣＡＯ Ｓｕ－ｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） 嘲撇ｔ：Ｗ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｏｎ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙ—ｆｕｅｌ（ＨＶＯＦ）ａｎｄ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ，ｐｏｒｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ－ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ Ｗ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｗ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｍｅｌｔ ｉｎｓｕｆｉｃｉｆｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ＳＯ ｔｈｅ Ｗ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ＨＶＯＦ ｓｐｒａｙｉｎｇ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，Ｗ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｍｅｌｔ ｂｅｔｔｅｒ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍ ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙ Ｗ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｃｏｍｐａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｏｆ ２ ｐｅｒｃｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ—ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ３ １ ５ＨＶ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓ ｏｆ １００ ｇｒａｍｍｅ．Ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙ Ｗ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｇｏｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｎｅａｒ ３６ＭＰａ． Ｗ ｃｏａｔｉｎｇ ｄｏｅｓｎ’ｔ ｓｅｐａｒａｔｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｆｔｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ Ｗ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｂｒｉｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ． Ｋ呵ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ；Ｗ ｃｏａｔｉｎｇ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ；ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 钨金属因具有熔点高、密度高等优异性能，在新型 药型罩材料应用方面越来越受到重视【 －３］。由于制造技 方法，ＭＡ）的技术，将铜、钨粉末在高能量磨球的撞击 作用下，粉末之间发生反复的破碎一冷焊一破碎的研 术及成本等因素的，目前常将钨作为添加剂用于 生产复合药型罩 。通常采用机械合金化（即高能球磨 磨过程，成为极细（纳米一微米级）的复合颗粒，从而 发生固态反应，形成高均匀分布的钨铜合金粉体。但 收稿日期：２００６－０４—１０；修回日期：２００６－０６—２０ 作者简介：简中华（１９７１－），男，博士研究生，主要研究方向为表面工程、材料强韧化。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｓｔｒｏｎｇ９２９＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ａｎ 社．１９９８：ｌ１一ｌ９． ［７］Ｂｅｎａｂｏｕ Ｌ，Ｂｅｎｓｅｄｄｉｑ Ｎ．Ｔｈｅ ｅｎｅｒｙ ｒｇｅｌｅａｓｅ ｒａｔｅ ｏｆ ａ ｃｒａｃｋ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｒａｃｉｌａ ｚｏｎｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］． Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，３７：５５ １－５６３． ［２］吴玉程，黄新民，张立德，等．添加金刚石对镍基合金的强化与 磨损性能影响［Ｊ］．矿冶工程，１９９９，１９（１）：５７—５９． ［３］查莹，周昌炽，唐西南，等．改善激光熔覆镍基合金和陶瓷硬质 ［８］Ｈａｌｖｅｒｓｏｎ Ｈ Ｇ，Ｃａｓｅ Ｓ Ｗ．Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ—ｂａｓｅｄ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｄａｍａｇｅ 相复合涂层性能的研究［Ｊ］．中国激光，ｌ９９９。２６（１０）：９４７—９５０． ［４］杜善义，王彪．复合材料细观力学［Ｍ］．科学出版社，１９９８：１—２． ［５］唐春安，傅宇方，林鹏，等．短纤维增强复合材料破坏过程的数 值模拟［Ｊ］．力学学报，２０００，３２（３）：３７３—３７８． ［６］王国珍，丁雨田，陈剑虹，等．ＳｉＣ粒子增强铝基复合材料的 断裂行为［Ｊ］．甘肃工业大学学报，１９９８，２４（１）：１－５． ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ，２０００，２２（４）：１８７—１９５． ＆ ［９］Ｄｒａｂｅｋ Ｔ，Ｂｏｈｍ Ｈ Ｊ．Ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｄｕｃｔｉｌｅ ｍａｔｉｒｘ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５（３２）：３２９—３３６． 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 简中华等：热喷涂铜基Ｗ涂层工艺性能研究 截面显微硬度为３１５ＨＶ０．１。等离子喷涂Ｗ涂层致密 的组织结构和较高的硬度主要是因为喷涂火焰温度较 高。改善了Ｗ颗粒的熔化程度，使其撞击基体后铺展 变形更充分，颗粒间搭接更紧密，涂层孔隙率减小，显 微硬度随之提高。 等离子喷涂Ｗ涂层进行拉伸试验时，涂层与基体 间结合质量较好，只有局部区域内涂层与基体间的结 合发生破坏，主要破坏区存在于在强力胶粘接剂内部。 测定拉伸试验中Ｗ涂层平均结合强度达３６ ＭＰａ，表 明等离子喷涂Ｗ涂层结合强度较高，接近本试验中粘 接剂的实际结合强度。因而涂层和强力胶均发生拉断 失效。 ２．３涂层高速压缩性能分析 表１为３、４、４．５、５ＭＰａ四种压缩载荷下基体与等 离子Ｗ涂层变形后的直径尺寸。由表可知，铜基体与 Ｗ涂层承受高速压缩作用后直径均增加，表现出良好 的延展性。铜金属本身延展率可达５０％，延展性能优 异，而Ｗ涂层延展性能较Ｗ合金有所提高，主要原因 在于以下几点：１）比较烧结制备得到的Ｗ合金，等离 子喷涂制备的Ｗ涂层孑Ｌ隙率相对较大，在一定程度上 可缓解涂层的形变；２）由于铜金属的延展性十分优异， 铜基体直径变形量较大，Ｗ涂层与铜基体压缩变形时 呈向涂层一侧弯曲变形的趋势。此时一部分Ｗ涂层的 变形可由铜基体承担；３）是由于Ｗ颗粒在高温等离子 焰流中受热熔化后。钨晶体出现了一定程度的韧脆转 变，从而提高了原脆性相钨的延展性。由表１可以看 出，随着载荷Ｐ的增大，基体变形直径逐步增加，而Ｗ 涂层变形直径逐步减小，这主要是由于随着压缩载荷 的增大，铜基体与钨涂层形变速度增快，尽管Ｗ涂层 由于孔隙增加及韧脆转变等原因，延展性能得到一定 程度的提高，但在高速应变时仍来不及充分变形，变形 后直径趋于减小。 由表１计算得到的每一压缩载荷下基体和涂层的 延伸率６。绘制延伸率６随压缩载荷Ｐ的变化关系曲 线，如图４所示。由图可见，随压缩载荷Ｐ的增加，铜基 体的延伸率增大，Ｗ涂层的延伸率减小，涂层和基体 延伸率的差值增大。载荷为３ ＭＰａ时，Ｗ涂层与铜基 体的延伸率差值最小，低于７％。这表明等离子喷涂Ｗ 表１压缩变形后基体与涂层的直径 Ｔａｂｌｅ １ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｃｏａｔｉｎｇ ａｆｔｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ 褂 垂 剁 压缩载荷，１ⅥＰａ 图４延伸率６随载荷Ｐ的变化曲线 Ｆｉｇ．４ Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ—ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏａｄ ｃｕｒｖｅ 涂层与铜基体间在承受高速冲击压缩载荷时具有很好 的协调变形能力。 观察压缩试验后的试样，随着施加载荷Ｐ的增大。 Ｗ涂层边缘部分与铜基体逐渐分离，且脱落现象随载 荷的Ｐ增大越来越明显。但涂层未出现整体的剥落。 其主体部分与基体仍结合良好，加载至５ ＭＰａ时，仍 没有涂层脱落的迹象。这表明等离子喷涂铜基体Ｗ涂 层结合质量较好。具有一定承受高速冲击压缩载荷的 能力。 图５为不同压缩载荷下等离子喷涂Ｗ涂层截面 组织形貌照片。由图可见，经压缩变形后Ｗ涂层与铜 基体仍保持良好结合，涂层未出现大面积剥落，涂层与 基体基本处于一个平面，表明Ｗ涂层具备一定的延展 变形能力。由图５ａ可见，载荷为３ ＭＰａ时，涂层边角和 中间位置孔洞均较压缩前增多。涂层疏松且呈一定的 破碎状。其主要原因在于尽管Ｗ涂层延展性能得以改 善，但其延展性仍较铜基体差，涂层边缘位置由于与 铜基体变形能力差异产生的应力集中易造成组织疏 松和碎裂。如图５ｂ所示，压缩载荷增大至４ ＭＰａ时。 涂层边角处与基体间的不连续程度增大，边角部分孔 隙增多，裂纹增加，涂层碎裂情况较图５ａ严重，而涂 层中心部分孔隙减少，涂层更致密。结合表１及图４ 可以看出，压缩载荷由３ ＭＰａ增至４ ＭＰａ时，Ｗ涂层 变形后直径增量减小，延伸率下降，这主要是由于压 缩载荷增大，基体涂层变形速率提高，Ｗ涂层变形未 能充分进行，故涂层沿直径方向变形量较低载荷时 小，涂层内孔隙率较接近原始涂层。由图５ｃ可见，压 缩载荷增至４．５ ＭＰａ时，涂层边角部分碎裂情况更加 明显，ＮｉＣｒＣｏＡ１Ｙ底层已开裂成裂块，涂层与基体间界 面结合更差，而涂层中心部分更为致密。由图５ｄ可 见，载荷为５ ＭＰａ时，涂层边角碎裂程度最大，涂层与 基体间结合最差，边角上出现一明显的因涂层脱落所 致的凹坑。涂层边角碎裂程度随压缩载荷增大而逐渐 恶化的主要原因在于当压缩载荷较小时，涂层和基体 维普资讯 http://www.cqvip.com
