2024年4月25日发(作者：后水风)
WC-10Co-4Cr涂层高温微动磨损特性
张六泉;任平弟;张晓宇;袁新璐
【摘 要】In order to explore the high temperature fretting wear behavior
and mechanism of WC-10Co-4Cr coating,high velocity oxy-fuel spraying
technique was used to prepare the WC-10Co-4Cr coating on the surface of
Inconel690 fretting wear behavior of WC-10Co-4Cr coating was
investigated by PLINT electro-hydraulic servo high temperature fretting
tester at the conditions of temperature from 25 ℃ to 300 ℃ under
atmosphere condition,the normal load of 100 N,the displacement
amplitude of 200 μm,the frequency of 2 Hz,and the number of cycles of
3× wear scar was analyzed by scanning electron microscope,dual
mode profilometer and 3D confocal microscopy results
show that the microstructure of the coating is two phase of
lamellar stacking,which is compact and low porosity,and the coating is
closely connected with the micro-hardness of the coating is
HV810.82,which is 3.3 times of that of the substrate;the friction coefficient
of WC-10Co-4Cr coating is increased with the increasing of temperature
under the same normal load and displacement amplitude,and the wear is
also the temperature is higher than 250 ℃,the WC-10Co-
4Cr coating is seriously ve wear,oxidation and delamination
are the main wear mechanisms of the WC-10Co-4Cr coating at high
temperatures.%为研究WC-10Co-4Cr涂层的高温微动磨损性能和微动磨损机制,
采用超音速火焰喷涂技术在Inconel690合金表面制备WC-10Co-4Cr涂层.使用
PLINT电液伺服高温微动试验机,在室温25℃至高温300℃大气气氛条件下,选择法
向载荷100N、位移幅值200 μm、频率2Hz、循环次数3×104次,进行微动磨损
特性试验,通过扫描电子显微镜、双模式轮廓仪和三维共聚焦显微镜等仪器对磨痕
进行分析研究.结果表明:涂层组织呈层状叠加的两相分布,致密、孔隙率低,涂层与基
体结合紧密,显微硬度为HV810.82,是基体的3.3倍;在法向载荷和位移幅值一定时,
随着试验温度的升高WC-10Co-4Cr涂层的摩擦因数增大,且磨损加剧;温度高于
250℃条件下,WC-10Co-4Cr涂层发生严重磨损;WC-10Co-4Cr涂层的高温微动
磨损机制主要表现为黏着磨损、氧化和剥层的共同作用.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2018(043)002
【总页数】6页(P41-46)
【关键词】WC-10Co-4Cr涂层;超音速火焰喷涂;Inconel690合金;高温;微动磨损
【作 者】张六泉;任平弟;张晓宇;袁新璐
【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都
610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都610031;
西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都610031;西南交通
大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都610031
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
热喷涂WC-Co硬质涂层，因为其具有高硬度、较好的耐磨性和与基体较好的结合
强度等优点广泛用于水利、电力、冶金和航空航天等领域[1-3]。超音速火焰喷涂
(HVOF)技术具有火焰及喷涂粒子速度极高和火焰温度相对较低的特性[4-6]，可以
得到低孔隙率、高结合强度、高致密度的热喷涂WC-Co金属陶瓷涂层[7-8]。通
过给WC-Co涂层中加入Cr元素而形成具有钴铬黏结相的WC-Co-Cr涂层性能更
加优越。
WC-10Co-4Cr涂层因其优异的耐磨及耐腐蚀性能等，引起研究人员的持续关注，
并开展了大量的研究工作[9-13]。但以往的研究，大部分都是在室温下研究WC-
10Co-4Cr涂层的特性，多关注涂层的微观组织和工艺参数，而对WC-10Co-4Cr
涂层的高温微动磨损性能尚缺乏研究数据的积累。涂层的微动磨损机制比较复杂，
在不同温度环境下涂层的微动磨损特性表现出不同的特征[14]。本文作者研究了
WC-10Co-4Cr涂层从室温25 ℃至高温300 ℃下的微动磨损特性，讨论了氧化对
微动磨损的影响，分析讨论了涂层的高温磨损机制。
1 实验部分
1.1 试验材料与方法
基体材料选用Inconel690合金管(尺寸为φ19.05 mm×1.09 mm)，在
Inconel690合金基体表面涂覆WC-10Co-4Cr涂层，然后将涂覆涂层的管切割成
长度为8 mm的1/4管。Inconel690合金主要化学成分见表1。
表 1 Inconel690合金管的主要化学成分(质量分数)Table 1 Mostly chemical
composition of Inconel690 Nickel-based alloy %材料
NiCrFeMnCSiPSInconel6905929．7510．20．290．0220．280．0060．000
5
利用湖南益阳先导等离子粉末有限公司供给的WC-10Co-4Cr粉末，其粒径为
15～30 μm，WC-10Co-4Cr粉末的化学成分见表2。喷涂设备采用上海休玛喷涂
机械有限公司提供的JP-5 000超音速火焰喷涂系统，该系统以航空煤油作为燃料，
氧气作为助燃气，氮气作为载气，工艺参数为：氧气流量24 L/m，煤油流量900
L/h，喷涂距离340 mm。喷涂厚度约为150 μm。
表 2 WC-10Co-4Cr粉末的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition
of WC-10Co-4Cr starting powder %粉末
CrNiWCCoFeWC⁃10Co⁃4Cr4．120．056其余0．1510．350．12
1.2 微动磨损实验
采用“十”字交叉接触方式在PLINT电液伺服高温微动试验机上进行实验。对磨
副为刚玉(Al2O3)，规格为φ10 mm×10 mm，表面粗糙度Ra为0.02 μm。实验
前将样品在乙醇溶液中超声清洗，微动磨损实验在大气环境中进行。为了减少样品
表面温度和实验预设温度之间的差距，用红外测温仪测定样品表面温度并稳定20
min后再开始实验。实验参数选择：法向载荷为100 N；位移幅值为200 μm；
温度为室温25 ℃至300 ℃；频率为2 Hz；循环次数为3×104次。磨损实验后，
采用场发射扫描电子显微镜JSM-7001F分析磨痕区域，用Olympus OLS4100
型激光共聚焦扫描电子显微镜测试磨痕区域尺寸，用NanoMap500DLS双模式轮
廓仪扫描磨痕区域二维轮廓。
2 结果与讨论
2.1 喷涂粉末分析
图1所示为WC-10Co-4Cr粉末的SEM图，从图1(a)中可以看出，喷涂粉末颗粒
表现为类球状，原始粉末尺寸比较匀称，粉末粒度在15～35 μm之间，粉末粒度
具有分布范围窄、便于熔融和流动性好等特点[15]。由图1(b)可知，粉末球表面粗
糙多孔，在高温焰流中，多孔结构更利于颗粒的热汲取和传达，从而减少涂层中的
未熔颗粒数量提高涂层质量[12]。
图1 WC-10Co4Cr粉末的SEM表面形貌Fig 1 SEM surface morphology of
WC-10Co4Cr powder
图2所示为WC-10Co-4Cr粉末的XRD图谱，可知，WC-10Co-4Cr粉末的相成
分为WC、Co，图谱中无Co3W3C等的衍射峰，这与MURTHY和
VENKATARAMAN的研究结果相似[16]。
图2 WC-10Co-4Cr粉末的XRD图谱Fig 2 XRD spectra of WC-10Co-4Cr
powder
2.2 涂层形貌分析
图3所示为WC-10Co-4Cr表面的显微组织，从图中观察可知，涂层孔隙率低，
粉末颗粒在撞到基体后，绝大部分颗粒呈薄饼状，表明在喷涂途中，由于加热腔内
温度较高，颗粒能在焰流中充分融化、变形，具有较强的填充孔隙的能力且颗粒之
间相互咬合作用强，形成致密的涂层，同时与基材结合能力增强。
图3 WC-10Co-4Cr涂层表面的显微组织Fig 3 Microstructure of WC-10Co-
4Cr coating surface
图4所示为WC-10Co-4Cr涂层的XRD图谱。
图4 WC-10Co-4Cr涂层的XRD图谱Fig 4 XRD pattern of WC-10Co-4Cr
coating
分析图4可知，与粉末的XRD图谱(图2)相比，涂层中没有Co相，反而出现了少
量的W2C相，起因于WC颗粒在喷涂过程中，经过高温氧化脱碳产生的，少量的
WC颗粒直接或间接地发生氧化反应，随之发生脱碳产生W2C相，除此之外，在
喷涂过程中未产生其他相，证明涂层的性能保持较好。
2.3 涂层的显微硬度
利用MVK-H21显微硬度计检测涂层和基体的显微硬度，试验力为3 N，加载时
间10 s。显微硬度取8个点的平均值。基体Inconel690合金的显微硬度比较均
匀，数值保持在HV245.56左右。而涂层表面不同区域的显微硬度有些差异，数
值范围在HV725.24～896.40之间波动，其平均显微硬度值为HV810.82，是基
体的3.3倍。这是由于涂层由不同硬度的WC、Co、Cr等物相组成，其中的主要
成分WC硬质合金相使涂层具有高硬度。
2.4 摩擦因数
图5所示为在温度从室温25 ℃至300 ℃条件下，法向载荷为100 N，位移幅值
为200 μm工况下WC-10Co-4Cr涂层的摩擦因数曲线图，可知，在法向载荷和
位移幅值一定时，WC-10Co-4Cr涂层摩擦因数随着温度的升高而增大。摩擦因数
随循环次数的变化关系可以分为初始跑合期、上升期和稳定期。在初始跑合期，由
于WC-10Co-4Cr涂层表面有杂质和黏着物形成的一层表面膜，摩擦因数较低；
在上升期，随着循环次数的增加，由于往复受到复切向力的剪切和挤压，导致表面
膜发生破损，对磨副与涂层表面直接接触，摩擦因数上升；在稳定期，两接触体形
成三体作用，磨屑产生和溢出的速率达到一个动态平衡，摩擦因数基本保持不变。
图5 不同温度下WC-10Co-4Cr涂层的摩擦因数随循环次数的变化关系(D=200
μm，Fn =100 N)Fig 5 The relationship between friction coefficient of WC-
10Co-4Cr coating and cycle times at different temperatures (D=200 μm，
Fn=100 N)
2.5 表面二维轮廓
图6所示为在温度从室温25 ℃至300 ℃条件下，法向载荷为100 N，位移幅值
为200 μm工况下WC-10Co-4Cr涂层的表面二维轮廓，从图6中观察可知，在
法向载荷和位移幅值一定时，随着温度的升高，WC-10Co-4Cr涂层的磨痕宽度和
深度逐渐增大。在室温25 ℃到200 ℃之间，WC-10Co-4Cr涂层的磨痕深度变化
较小，而在高温250和300 ℃时，磨痕深度显著增大，这起因于在高温条件下，
WC-10Co-4Cr涂层的组织和机械性能会发生一定的变化，而氧化有更直接的作用，
使涂层中强化组元的元素流失，导致表层承载能力下降，表面轮廓呈现较深凹坑，
材料流失较严重[17]。
图6 不同温度下WC-10Co-4Cr涂层的表面二维轮廓(D=200 μm，Fn =100
N)Fig 6 Surface two dimensional profiles of WC-10Co-4Cr coating at
different temperatures(D=200 μm，Fn=100 N)
2.6 磨损体积
图7所示为法向载荷为100 N，位移幅值为200 μm的条件下温度对WC-10Co-
4Cr涂层磨损体积的影响。可知，在法向载荷和位移幅值一定时，随着温度的升高，
WC-10Co-4Cr涂层的磨损体积逐渐增大。在室温25 ℃至200 ℃时，WC-10Co-
4Cr涂层的磨损体积较小，而超过高温200 ℃时，WC-10Co-4Cr涂层的磨损体
积较大。结合图6和7可以得出，高于高温200 ℃，WC-10Co-4Cr涂层不宜作
为耐磨涂层长期使用。
图7 温度对WC-10Co-4Cr涂层磨损体积的影响(D=200 μm， Fn =100 N)Fig 7
Effect of temperature on the wear volume of WC-10Co-4Cr coating(D=200
μm，Fn=100 N)
2.7 损伤分析
图8所示为WC-10Co-4Cr涂层在不同温度下的磨痕SEM形貌。
图8 WC-10Co-4Cr涂层在不同温度下的磨痕形貌(D=200 μm，Fn =100 N)Fig
8 The wear scar morphology of WC-10Co-4Cr coating at different
temperatures(D=200 μm，Fn=100 N)
由图8可以看出，当温度为50 ℃时，氧化磨损较轻，堆积黏附的磨屑层较厚，具
有一定的保护作用(见图8(a))；当温度为150 ℃时，微动产生明显划痕和犁沟，
磨屑堆积层相对较薄(见图8(b))。随着温度升高到250 ℃时，微动产生划痕和犁
沟尺度增大，氧化磨屑分布不连续，结构疏松易剪切，易发生转移而承载能力降低，
在微动磨损过程中易被犁削去除或大片脱落(见图8(c))。经EDX分析表明，磨痕
A、B和C的能谱图存在氧峰(见图9(a)、(b)和(c)所示)。从图9中的氧峰特征可
以看出，在载荷和位移幅值不变的情况下，随着温度升高，能谱图中的氧峰逐渐增
高，氧化作用加剧，EDX图中的氧峰明显增高，而W峰明显减小，这是因为温度
升高，涂层软化，承载能力减弱，使得强化组元的元素流失。由此可见，高温是加
剧摩擦氧化的主要因素。WC-10Co-4Cr涂层的高温磨损机制主要表现为黏着磨损、
氧化和剥层的共同作用。
图9 WC-10Co-4Cr涂层在不同温度下的磨痕A、B和C的EDX谱(D=200 μm，
Fn =100 N)Fig 9 EDX spectra of A,B and C of wear marks of WC-10Co-4Cr
coatings at different temperatures(D=200 μm，Fn=100 N)
2.8 剖面分析
图10为WC-10Co-4Cr涂层在高温300 ℃环境下，法向载荷为100 N，位移幅
值为200 μm工况下的剖面图。利用线切割机把微动磨损试样从磨痕边缘切开，
然后对其镶样，再对剖面进行抛光和腐蚀。从图中可以看出，微动产生的磨屑被反
复碾压和氧化，覆盖在磨痕表面形成磨屑层，经过试样与对磨副反复的碾压碎化后，
压实未脱落的磨屑形成微裂纹，经过扩展相互连通，使得磨屑呈现片状结构，表现
出了大尺度开裂趋势，导致形成的裂缝使材料以片状方式剥落(见图10(a))。另一
方面，沿着涂层的层状纹理及相分界也观察到斜裂纹，尺度更大、深度更深(见图
10(b))。在切向应力和纵向荷载的共同作用下，裂纹末端的横向断裂将产生剥层和
初级粗大磨屑，也是加剧磨损的重要因素。
图10 WC-10Co-4Cr涂层在高温300 ℃的磨痕剖面SEM形貌照片(D=200 μm，
Fn=100 N)Fig 10 SEM micrographs of section wear scars of WC-10Co-4Cr
coating at high temperature of 300 ℃(D=200 μm，Fn=100 N)
3 结论
(1)WC-10Co-4Cr涂层组织呈层状叠加的两相分布，致密、孔隙率低，涂层与基
体结合紧密，显微硬度为HV810.82，是基体的3.3倍。
(2)在法向载荷和位移幅值一定时，随着温度的升高， WC-10Co-4Cr涂层的摩擦
因数和磨损体积增大。在250 ℃以上高温下，WC-10Co-4Cr涂层发生严重磨损。
(3)WC-10Co-4Cr涂层的高温微动磨损机制为黏着磨损、氧化和剥层的共同作用。
参考文献
【1】 丁彰雄,陈伟,王群,等.HVOF制备的多峰WC-12Co涂层摩擦磨损特性[J].摩
擦学学报,2011,31(5):425-430.
DING Z X,CHEN W,WANG Q,et on and wear characteristics of
multimodal WC-12Co coatings deposited by
HVOF[J].Tribology,2011,31(5):425-430.
【2】 张光华,李曙,刘阳,等.HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层的砂浆冲蚀行为[J].中
国表面工程,2007,20(4):16-22.
ZHANG G H,LI S,LIU Y,et erosion behavior of HVOF sprayed WC-
10Co-4Cr coatings[J].China Surface Engineering,2007,20(4):16-22.
【3】 YANG Q,SENDA T,OHMORI of carbide grain size on
microstructure and sliding wear behavior of HVOF-sprayed WC-12%Co
coatings[J].Wear,2003,254(1/2):23-34.
【4】 解永杰,牛二武,曹晓明.超音速火焰喷涂技术的发展与特点[J].天津冶
金,2004(2):32-34.
XIE Y J,NIU E W,CAO X pment and characteristics of high velocity
oxygen-fuel(HVOF) spray[J].Tianjin Metallurgy,2004(2):32-34.
【5】 周正,姚海华,高峰,等.Cr23C6-NiCr涂层制备及其高温氧化行为[J].中国表面
工程,2011,24(6):19-23.
ZHOU Z,YAO H H,GAO F,et ation and high temperature oxidation
behavior of Cr23C6-NiCr thermal sprayed coatings[J].China Surface
Engineering,2011,24(6):19-23.
【6】 沃尔夫冈·铁尔曼,罗蔚峰,音果·鲍曼,等.冲压模具热喷涂涂层的优化[J].中国表
面工程,2012,25(4):1-14.
TILLMANN Wolfgang,LUO W F,BAUMANN Ingor,et zation of
thermal spray coatings for forming tools[J].China Surface
Engineering,2012,25(4):1-14.
【7】 BROWING J now,hypersonic velocity impact fusion
spraying[C]//Proc of the 13th o Florida:IEEE 1992:123-125.
【8】 张伟,郭永明,陈永雄.热喷涂技术在产品再制造领域的应用及发展趋势[J].中国
表面工程,2011,24(6):1-10.
ZHANG W,GUO Y M,CHEN Y ations and future development of
thermal spraying technologies for remanufacturing engineering[J].China
Surface Engineering,2011,24(6):1-10.
【9】 赵坚,陈小明,吴燕明,等.启闭机活塞杆表面超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr
涂层的性能[J].中国表面工程,2014,27(3):71-75.
ZHAO J,CHEN X M,WU Y M,et ties of WC-10Co-4Cr coatings
sprayed by HVOF on hoist piston rod surface[J].China Surface
Engineering,2014,27(3):71-75.
【10】 李洪波,韩金成,顾勇飞,等.T10钢表面HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层的耐
磨性研究[J].燕山大学学报,2016,40(1):22-28.
LI H B,HAN J C,GU Y F,et ve resistance of WC-10Co-4Cr coating
deposited on T10 steel surface by HVOF[J].Journal of Yanshan
University,2016,40(1):22-28.
【11】 左晓婷,姚萍屏,贡太敏,等.WC粒度对超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr涂层
耐腐蚀性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程,2015,20(1):106-111.
ZUO X T,YAO P P,GONG T M,et of WC size on corrosion resistance
of WC-10Co-4Cr coatings by high velocity oxygen fuel[J].Materials Science
and Engineering of Powder Metallurgy,2015,20(1):106-111.
【12】 陈文,龙安平,向锦涛,等.超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层在NaCl溶液中
的耐腐蚀性能[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(10):3373-3378.
CHEN W,LONG A P,XIANG J T,et ion-resistance of WC-10Co4Cr
HVOF coating in NaCl solution[J].Journal of Central South
University(Science and Technology),2014,45(10):3373-3378.
【13】 徐涛,任平弟,张晓宇,等.Inconel690合金表面WC-10Co-4Cr和CoCrW涂
层的微动磨损特性[J].润滑与密封,2017,42(1):57-63.
XU T,REN P D,ZHANG X Y,et ng wear behavior of HVOF sprayed
WC-10Co-4Cr and CoCrW coatings on the surface of Inconel690
alloy[J].Lubrication Engineering,2017,42(1):57-63.
【14】 NOLAN D,MERCER P,SAMANDI tructural stability of
thermal shayed WC-Co composite coatings in oxidising atmospheres at
450 C[J].Surface Engineering,1997,14(2):124-128.
【15】 姬寿长,李争显,杜继红,等.Ti6Al4V合金表面超音速火焰喷涂WC-12Co涂
层组织及相分析[J].稀有金属材料与工程,2012,41(11):2005-2009.
JI S C,LI Z X,DU J H,et tructure and phase analysis of WC-12Co
coatings sprayed on Ti6Al4V alloy by HVOF[J].Rare Metal Materials and
Engineering,2012,41(11):2005-2009.
【16】 MURTHY J K N,VENKATARAMAN ve wear behaviour of WC-
Co-Cr and Cr3C2-20(NiCr) deposited by HVOF and detonation spray
processes[J].Surface & Coatings Technology,2006,200(8):2642-2652.
【17】 耿哲,段德莉,刘阳,等.超音速火焰喷涂WC-Co层的高温氧化对摩擦磨损性
能的影响[J].摩擦学学报,2013,33(4):329-336.
GENG Z,DUAN D L,LIU Y,et Effect of oxidation at elevated
temperature on tribological behavior of WC-Co HVOF spraying
coatings[J].Tribology,2013,33(4):329-336.
2024年4月25日发(作者：后水风)
WC-10Co-4Cr涂层高温微动磨损特性
张六泉;任平弟;张晓宇;袁新璐
【摘 要】In order to explore the high temperature fretting wear behavior
and mechanism of WC-10Co-4Cr coating,high velocity oxy-fuel spraying
technique was used to prepare the WC-10Co-4Cr coating on the surface of
Inconel690 fretting wear behavior of WC-10Co-4Cr coating was
investigated by PLINT electro-hydraulic servo high temperature fretting
tester at the conditions of temperature from 25 ℃ to 300 ℃ under
atmosphere condition,the normal load of 100 N,the displacement
amplitude of 200 μm,the frequency of 2 Hz,and the number of cycles of
3× wear scar was analyzed by scanning electron microscope,dual
mode profilometer and 3D confocal microscopy results
show that the microstructure of the coating is two phase of
lamellar stacking,which is compact and low porosity,and the coating is
closely connected with the micro-hardness of the coating is
HV810.82,which is 3.3 times of that of the substrate;the friction coefficient
of WC-10Co-4Cr coating is increased with the increasing of temperature
under the same normal load and displacement amplitude,and the wear is
also the temperature is higher than 250 ℃,the WC-10Co-
4Cr coating is seriously ve wear,oxidation and delamination
are the main wear mechanisms of the WC-10Co-4Cr coating at high
temperatures.%为研究WC-10Co-4Cr涂层的高温微动磨损性能和微动磨损机制,
采用超音速火焰喷涂技术在Inconel690合金表面制备WC-10Co-4Cr涂层.使用
PLINT电液伺服高温微动试验机,在室温25℃至高温300℃大气气氛条件下,选择法
向载荷100N、位移幅值200 μm、频率2Hz、循环次数3×104次,进行微动磨损
特性试验,通过扫描电子显微镜、双模式轮廓仪和三维共聚焦显微镜等仪器对磨痕
进行分析研究.结果表明:涂层组织呈层状叠加的两相分布,致密、孔隙率低,涂层与基
体结合紧密,显微硬度为HV810.82,是基体的3.3倍;在法向载荷和位移幅值一定时,
随着试验温度的升高WC-10Co-4Cr涂层的摩擦因数增大,且磨损加剧;温度高于
250℃条件下,WC-10Co-4Cr涂层发生严重磨损;WC-10Co-4Cr涂层的高温微动
磨损机制主要表现为黏着磨损、氧化和剥层的共同作用.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2018(043)002
【总页数】6页(P41-46)
【关键词】WC-10Co-4Cr涂层;超音速火焰喷涂;Inconel690合金;高温;微动磨损
【作 者】张六泉;任平弟;张晓宇;袁新璐
【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都
610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都610031;
西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都610031;西南交通
大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都610031
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
热喷涂WC-Co硬质涂层，因为其具有高硬度、较好的耐磨性和与基体较好的结合
强度等优点广泛用于水利、电力、冶金和航空航天等领域[1-3]。超音速火焰喷涂
(HVOF)技术具有火焰及喷涂粒子速度极高和火焰温度相对较低的特性[4-6]，可以
得到低孔隙率、高结合强度、高致密度的热喷涂WC-Co金属陶瓷涂层[7-8]。通
过给WC-Co涂层中加入Cr元素而形成具有钴铬黏结相的WC-Co-Cr涂层性能更
加优越。
WC-10Co-4Cr涂层因其优异的耐磨及耐腐蚀性能等，引起研究人员的持续关注，
并开展了大量的研究工作[9-13]。但以往的研究，大部分都是在室温下研究WC-
10Co-4Cr涂层的特性，多关注涂层的微观组织和工艺参数，而对WC-10Co-4Cr
涂层的高温微动磨损性能尚缺乏研究数据的积累。涂层的微动磨损机制比较复杂，
在不同温度环境下涂层的微动磨损特性表现出不同的特征[14]。本文作者研究了
WC-10Co-4Cr涂层从室温25 ℃至高温300 ℃下的微动磨损特性，讨论了氧化对
微动磨损的影响，分析讨论了涂层的高温磨损机制。
1 实验部分
1.1 试验材料与方法
基体材料选用Inconel690合金管(尺寸为φ19.05 mm×1.09 mm)，在
Inconel690合金基体表面涂覆WC-10Co-4Cr涂层，然后将涂覆涂层的管切割成
长度为8 mm的1/4管。Inconel690合金主要化学成分见表1。
表 1 Inconel690合金管的主要化学成分(质量分数)Table 1 Mostly chemical
composition of Inconel690 Nickel-based alloy %材料
NiCrFeMnCSiPSInconel6905929．7510．20．290．0220．280．0060．000
5
利用湖南益阳先导等离子粉末有限公司供给的WC-10Co-4Cr粉末，其粒径为
15～30 μm，WC-10Co-4Cr粉末的化学成分见表2。喷涂设备采用上海休玛喷涂
机械有限公司提供的JP-5 000超音速火焰喷涂系统，该系统以航空煤油作为燃料，
氧气作为助燃气，氮气作为载气，工艺参数为：氧气流量24 L/m，煤油流量900
L/h，喷涂距离340 mm。喷涂厚度约为150 μm。
表 2 WC-10Co-4Cr粉末的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition
of WC-10Co-4Cr starting powder %粉末
CrNiWCCoFeWC⁃10Co⁃4Cr4．120．056其余0．1510．350．12
1.2 微动磨损实验
采用“十”字交叉接触方式在PLINT电液伺服高温微动试验机上进行实验。对磨
副为刚玉(Al2O3)，规格为φ10 mm×10 mm，表面粗糙度Ra为0.02 μm。实验
前将样品在乙醇溶液中超声清洗，微动磨损实验在大气环境中进行。为了减少样品
表面温度和实验预设温度之间的差距，用红外测温仪测定样品表面温度并稳定20
min后再开始实验。实验参数选择：法向载荷为100 N；位移幅值为200 μm；
温度为室温25 ℃至300 ℃；频率为2 Hz；循环次数为3×104次。磨损实验后，
采用场发射扫描电子显微镜JSM-7001F分析磨痕区域，用Olympus OLS4100
型激光共聚焦扫描电子显微镜测试磨痕区域尺寸，用NanoMap500DLS双模式轮
廓仪扫描磨痕区域二维轮廓。
2 结果与讨论
2.1 喷涂粉末分析
图1所示为WC-10Co-4Cr粉末的SEM图，从图1(a)中可以看出，喷涂粉末颗粒
表现为类球状，原始粉末尺寸比较匀称，粉末粒度在15～35 μm之间，粉末粒度
具有分布范围窄、便于熔融和流动性好等特点[15]。由图1(b)可知，粉末球表面粗
糙多孔，在高温焰流中，多孔结构更利于颗粒的热汲取和传达，从而减少涂层中的
未熔颗粒数量提高涂层质量[12]。
图1 WC-10Co4Cr粉末的SEM表面形貌Fig 1 SEM surface morphology of
WC-10Co4Cr powder
图2所示为WC-10Co-4Cr粉末的XRD图谱，可知，WC-10Co-4Cr粉末的相成
分为WC、Co，图谱中无Co3W3C等的衍射峰，这与MURTHY和
VENKATARAMAN的研究结果相似[16]。
图2 WC-10Co-4Cr粉末的XRD图谱Fig 2 XRD spectra of WC-10Co-4Cr
powder
2.2 涂层形貌分析
图3所示为WC-10Co-4Cr表面的显微组织，从图中观察可知，涂层孔隙率低，
粉末颗粒在撞到基体后，绝大部分颗粒呈薄饼状，表明在喷涂途中，由于加热腔内
温度较高，颗粒能在焰流中充分融化、变形，具有较强的填充孔隙的能力且颗粒之
间相互咬合作用强，形成致密的涂层，同时与基材结合能力增强。
图3 WC-10Co-4Cr涂层表面的显微组织Fig 3 Microstructure of WC-10Co-
4Cr coating surface
图4所示为WC-10Co-4Cr涂层的XRD图谱。
图4 WC-10Co-4Cr涂层的XRD图谱Fig 4 XRD pattern of WC-10Co-4Cr
coating
分析图4可知，与粉末的XRD图谱(图2)相比，涂层中没有Co相，反而出现了少
量的W2C相，起因于WC颗粒在喷涂过程中，经过高温氧化脱碳产生的，少量的
WC颗粒直接或间接地发生氧化反应，随之发生脱碳产生W2C相，除此之外，在
喷涂过程中未产生其他相，证明涂层的性能保持较好。
2.3 涂层的显微硬度
利用MVK-H21显微硬度计检测涂层和基体的显微硬度，试验力为3 N，加载时
间10 s。显微硬度取8个点的平均值。基体Inconel690合金的显微硬度比较均
匀，数值保持在HV245.56左右。而涂层表面不同区域的显微硬度有些差异，数
值范围在HV725.24～896.40之间波动，其平均显微硬度值为HV810.82，是基
体的3.3倍。这是由于涂层由不同硬度的WC、Co、Cr等物相组成，其中的主要
成分WC硬质合金相使涂层具有高硬度。
2.4 摩擦因数
图5所示为在温度从室温25 ℃至300 ℃条件下，法向载荷为100 N，位移幅值
为200 μm工况下WC-10Co-4Cr涂层的摩擦因数曲线图，可知，在法向载荷和
位移幅值一定时，WC-10Co-4Cr涂层摩擦因数随着温度的升高而增大。摩擦因数
随循环次数的变化关系可以分为初始跑合期、上升期和稳定期。在初始跑合期，由
于WC-10Co-4Cr涂层表面有杂质和黏着物形成的一层表面膜，摩擦因数较低；
在上升期，随着循环次数的增加，由于往复受到复切向力的剪切和挤压，导致表面
膜发生破损，对磨副与涂层表面直接接触，摩擦因数上升；在稳定期，两接触体形
成三体作用，磨屑产生和溢出的速率达到一个动态平衡，摩擦因数基本保持不变。
图5 不同温度下WC-10Co-4Cr涂层的摩擦因数随循环次数的变化关系(D=200
μm，Fn =100 N)Fig 5 The relationship between friction coefficient of WC-
10Co-4Cr coating and cycle times at different temperatures (D=200 μm，
Fn=100 N)
2.5 表面二维轮廓
图6所示为在温度从室温25 ℃至300 ℃条件下，法向载荷为100 N，位移幅值
为200 μm工况下WC-10Co-4Cr涂层的表面二维轮廓，从图6中观察可知，在
法向载荷和位移幅值一定时，随着温度的升高，WC-10Co-4Cr涂层的磨痕宽度和
深度逐渐增大。在室温25 ℃到200 ℃之间，WC-10Co-4Cr涂层的磨痕深度变化
较小，而在高温250和300 ℃时，磨痕深度显著增大，这起因于在高温条件下，
WC-10Co-4Cr涂层的组织和机械性能会发生一定的变化，而氧化有更直接的作用，
使涂层中强化组元的元素流失，导致表层承载能力下降，表面轮廓呈现较深凹坑，
材料流失较严重[17]。
图6 不同温度下WC-10Co-4Cr涂层的表面二维轮廓(D=200 μm，Fn =100
N)Fig 6 Surface two dimensional profiles of WC-10Co-4Cr coating at
different temperatures(D=200 μm，Fn=100 N)
2.6 磨损体积
图7所示为法向载荷为100 N，位移幅值为200 μm的条件下温度对WC-10Co-
4Cr涂层磨损体积的影响。可知，在法向载荷和位移幅值一定时，随着温度的升高，
WC-10Co-4Cr涂层的磨损体积逐渐增大。在室温25 ℃至200 ℃时，WC-10Co-
4Cr涂层的磨损体积较小，而超过高温200 ℃时，WC-10Co-4Cr涂层的磨损体
积较大。结合图6和7可以得出，高于高温200 ℃，WC-10Co-4Cr涂层不宜作
为耐磨涂层长期使用。
图7 温度对WC-10Co-4Cr涂层磨损体积的影响(D=200 μm， Fn =100 N)Fig 7
Effect of temperature on the wear volume of WC-10Co-4Cr coating(D=200
μm，Fn=100 N)
2.7 损伤分析
图8所示为WC-10Co-4Cr涂层在不同温度下的磨痕SEM形貌。
图8 WC-10Co-4Cr涂层在不同温度下的磨痕形貌(D=200 μm，Fn =100 N)Fig
8 The wear scar morphology of WC-10Co-4Cr coating at different
temperatures(D=200 μm，Fn=100 N)
由图8可以看出，当温度为50 ℃时，氧化磨损较轻，堆积黏附的磨屑层较厚，具
有一定的保护作用(见图8(a))；当温度为150 ℃时，微动产生明显划痕和犁沟，
磨屑堆积层相对较薄(见图8(b))。随着温度升高到250 ℃时，微动产生划痕和犁
沟尺度增大，氧化磨屑分布不连续，结构疏松易剪切，易发生转移而承载能力降低，
在微动磨损过程中易被犁削去除或大片脱落(见图8(c))。经EDX分析表明，磨痕
A、B和C的能谱图存在氧峰(见图9(a)、(b)和(c)所示)。从图9中的氧峰特征可
以看出，在载荷和位移幅值不变的情况下，随着温度升高，能谱图中的氧峰逐渐增
高，氧化作用加剧，EDX图中的氧峰明显增高，而W峰明显减小，这是因为温度
升高，涂层软化，承载能力减弱，使得强化组元的元素流失。由此可见，高温是加
剧摩擦氧化的主要因素。WC-10Co-4Cr涂层的高温磨损机制主要表现为黏着磨损、
氧化和剥层的共同作用。
图9 WC-10Co-4Cr涂层在不同温度下的磨痕A、B和C的EDX谱(D=200 μm，
Fn =100 N)Fig 9 EDX spectra of A,B and C of wear marks of WC-10Co-4Cr
coatings at different temperatures(D=200 μm，Fn=100 N)
2.8 剖面分析
图10为WC-10Co-4Cr涂层在高温300 ℃环境下，法向载荷为100 N，位移幅
值为200 μm工况下的剖面图。利用线切割机把微动磨损试样从磨痕边缘切开，
然后对其镶样，再对剖面进行抛光和腐蚀。从图中可以看出，微动产生的磨屑被反
复碾压和氧化，覆盖在磨痕表面形成磨屑层，经过试样与对磨副反复的碾压碎化后，
压实未脱落的磨屑形成微裂纹，经过扩展相互连通，使得磨屑呈现片状结构，表现
出了大尺度开裂趋势，导致形成的裂缝使材料以片状方式剥落(见图10(a))。另一
方面，沿着涂层的层状纹理及相分界也观察到斜裂纹，尺度更大、深度更深(见图
10(b))。在切向应力和纵向荷载的共同作用下，裂纹末端的横向断裂将产生剥层和
初级粗大磨屑，也是加剧磨损的重要因素。
图10 WC-10Co-4Cr涂层在高温300 ℃的磨痕剖面SEM形貌照片(D=200 μm，
Fn=100 N)Fig 10 SEM micrographs of section wear scars of WC-10Co-4Cr
coating at high temperature of 300 ℃(D=200 μm，Fn=100 N)
3 结论
(1)WC-10Co-4Cr涂层组织呈层状叠加的两相分布，致密、孔隙率低，涂层与基
体结合紧密，显微硬度为HV810.82，是基体的3.3倍。
(2)在法向载荷和位移幅值一定时，随着温度的升高， WC-10Co-4Cr涂层的摩擦
因数和磨损体积增大。在250 ℃以上高温下，WC-10Co-4Cr涂层发生严重磨损。
(3)WC-10Co-4Cr涂层的高温微动磨损机制为黏着磨损、氧化和剥层的共同作用。
参考文献
【1】 丁彰雄,陈伟,王群,等.HVOF制备的多峰WC-12Co涂层摩擦磨损特性[J].摩
擦学学报,2011,31(5):425-430.
DING Z X,CHEN W,WANG Q,et on and wear characteristics of
multimodal WC-12Co coatings deposited by
HVOF[J].Tribology,2011,31(5):425-430.
【2】 张光华,李曙,刘阳,等.HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层的砂浆冲蚀行为[J].中
国表面工程,2007,20(4):16-22.
ZHANG G H,LI S,LIU Y,et erosion behavior of HVOF sprayed WC-
10Co-4Cr coatings[J].China Surface Engineering,2007,20(4):16-22.
【3】 YANG Q,SENDA T,OHMORI of carbide grain size on
microstructure and sliding wear behavior of HVOF-sprayed WC-12%Co
coatings[J].Wear,2003,254(1/2):23-34.
【4】 解永杰,牛二武,曹晓明.超音速火焰喷涂技术的发展与特点[J].天津冶
金,2004(2):32-34.
XIE Y J,NIU E W,CAO X pment and characteristics of high velocity
oxygen-fuel(HVOF) spray[J].Tianjin Metallurgy,2004(2):32-34.
【5】 周正,姚海华,高峰,等.Cr23C6-NiCr涂层制备及其高温氧化行为[J].中国表面
工程,2011,24(6):19-23.
ZHOU Z,YAO H H,GAO F,et ation and high temperature oxidation
behavior of Cr23C6-NiCr thermal sprayed coatings[J].China Surface
Engineering,2011,24(6):19-23.
【6】 沃尔夫冈·铁尔曼,罗蔚峰,音果·鲍曼,等.冲压模具热喷涂涂层的优化[J].中国表
面工程,2012,25(4):1-14.
TILLMANN Wolfgang,LUO W F,BAUMANN Ingor,et zation of
thermal spray coatings for forming tools[J].China Surface
Engineering,2012,25(4):1-14.
【7】 BROWING J now,hypersonic velocity impact fusion
spraying[C]//Proc of the 13th o Florida:IEEE 1992:123-125.
【8】 张伟,郭永明,陈永雄.热喷涂技术在产品再制造领域的应用及发展趋势[J].中国
表面工程,2011,24(6):1-10.
ZHANG W,GUO Y M,CHEN Y ations and future development of
thermal spraying technologies for remanufacturing engineering[J].China
Surface Engineering,2011,24(6):1-10.
【9】 赵坚,陈小明,吴燕明,等.启闭机活塞杆表面超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr
涂层的性能[J].中国表面工程,2014,27(3):71-75.
ZHAO J,CHEN X M,WU Y M,et ties of WC-10Co-4Cr coatings
sprayed by HVOF on hoist piston rod surface[J].China Surface
Engineering,2014,27(3):71-75.
【10】 李洪波,韩金成,顾勇飞,等.T10钢表面HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层的耐
磨性研究[J].燕山大学学报,2016,40(1):22-28.
LI H B,HAN J C,GU Y F,et ve resistance of WC-10Co-4Cr coating
deposited on T10 steel surface by HVOF[J].Journal of Yanshan
University,2016,40(1):22-28.
【11】 左晓婷,姚萍屏,贡太敏,等.WC粒度对超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr涂层
耐腐蚀性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程,2015,20(1):106-111.
ZUO X T,YAO P P,GONG T M,et of WC size on corrosion resistance
of WC-10Co-4Cr coatings by high velocity oxygen fuel[J].Materials Science
and Engineering of Powder Metallurgy,2015,20(1):106-111.
【12】 陈文,龙安平,向锦涛,等.超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层在NaCl溶液中
的耐腐蚀性能[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(10):3373-3378.
CHEN W,LONG A P,XIANG J T,et ion-resistance of WC-10Co4Cr
HVOF coating in NaCl solution[J].Journal of Central South
University(Science and Technology),2014,45(10):3373-3378.
【13】 徐涛,任平弟,张晓宇,等.Inconel690合金表面WC-10Co-4Cr和CoCrW涂
层的微动磨损特性[J].润滑与密封,2017,42(1):57-63.
XU T,REN P D,ZHANG X Y,et ng wear behavior of HVOF sprayed
WC-10Co-4Cr and CoCrW coatings on the surface of Inconel690
alloy[J].Lubrication Engineering,2017,42(1):57-63.
【14】 NOLAN D,MERCER P,SAMANDI tructural stability of
thermal shayed WC-Co composite coatings in oxidising atmospheres at
450 C[J].Surface Engineering,1997,14(2):124-128.
【15】 姬寿长,李争显,杜继红,等.Ti6Al4V合金表面超音速火焰喷涂WC-12Co涂
层组织及相分析[J].稀有金属材料与工程,2012,41(11):2005-2009.
JI S C,LI Z X,DU J H,et tructure and phase analysis of WC-12Co
coatings sprayed on Ti6Al4V alloy by HVOF[J].Rare Metal Materials and
Engineering,2012,41(11):2005-2009.
【16】 MURTHY J K N,VENKATARAMAN ve wear behaviour of WC-
Co-Cr and Cr3C2-20(NiCr) deposited by HVOF and detonation spray
processes[J].Surface & Coatings Technology,2006,200(8):2642-2652.
【17】 耿哲,段德莉,刘阳,等.超音速火焰喷涂WC-Co层的高温氧化对摩擦磨损性
能的影响[J].摩擦学学报,2013,33(4):329-336.
GENG Z,DUAN D L,LIU Y,et Effect of oxidation at elevated
temperature on tribological behavior of WC-Co HVOF spraying
coatings[J].Tribology,2013,33(4):329-336.