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用超音速火焰喷涂法制备碳化钨基涂

超音速火焰喷涂(high velocity oxyfuel spraying, HVOF)是20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用氢、乙炔、丙烯、煤油等做燃料,用氧气作助燃剂,在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧,产生2100m/s以上速度的超音速燃焰,同时将粉末送进火焰中,产生熔化或半熔化的粒子,高速撞击在基体表面上沉积形成涂层。超音速火焰喷涂具有火焰速度高、温度低、涂层结合强度高、致密性好、硬度高,孔隙率低、氧化物含量低等优点。该工艺现在已发展到航空、冶金、纺机、汽车、铁路等领域的大量应用,代表了现代热喷涂技术发展的方向。超音速火焰喷涂技术在带来显著社会效益的同时也具有显著的经济效益。据市场估计,2015年超音速火焰喷涂工艺将在热喷涂业拥有25%的市场。该技术具有火焰温度相对较低(约 2600~3000℃)、焰流速度高,喷涂过程中可有效抑制和减少碳化钨的分解,所获涂层可保留碳化钨相的耐磨特性,因此该工艺特别适合于喷涂耐磨性能良好的碳化钨类材料,所获碳化钨涂层材料可以提供非常好的抗磨损和抗腐蚀性能。

  中南大学最近报道了采用超音速火焰喷涂法在45#钢表面制备碳化钨基涂层的工作,取得了较好的效果。他们以WC、Co 、Cr 等为原料,根据WC10Co4Cr 成分配制原料,原料经搅拌球磨、喷雾造粒和真空烧结制得各粉末块体,然后通过破碎筛分、分级和合批控制喷涂粉末粒度为 15~45μm。经检测,所得喷涂粉末球形度高,流动性好(~13 s/50g),粉末松装密度相近(4.8~5.0 g/cm3),单颗粉末呈疏松结构;粉末物相均为 WC 和 Co 相。涂层试样基体材料为 45#钢,喷涂前基体表面经 50~70目白刚玉喷砂处理,然后用压缩空气吹扫样品表面。采用机械手固定的 Praxair JP8000超音速火焰喷枪制备碳化钨基涂层。

  对所获涂层的检测表明,涂层厚度达到300微米,沉积效率达到55.15%,孔隙率为0.32%;涂层物相主要由 WC 相组成,还含有少量 W2C相和非晶相或纳米晶相,未出现 W 或η相(Co6W6C、Co3W3C),表明颗粒在焰流中停留时间极短,粉末脱碳程度小,涂层中保存了粉末中的 WC 硬质相,有利于涂层耐磨性的提高。实验中氧气和煤油流量设定不变即喷涂时控制火焰温度一致;加之采用新型喷枪和高效率的冷却系统,减少了脱碳程度。涂层脱碳程度小的主要原因有:(1)粉末中无η相;(2)该实验氧气流量和煤油流量设计有利于获得相对较低的火焰温度,(3)喷枪移动速度快和喷涂过程压缩空气的冷却,使涂层受热程度较低。

  硬度、磨粒磨损和抗盐雾腐蚀性能测试表明,涂层显微硬度达到近1300HV,体积磨损量相当小;涂层在中性盐雾腐蚀环境下360小时,仍然保持表面光滑并具有金属光泽,未发生腐蚀,说明涂层耐腐蚀能力强。由于添加 Cr 后易于在涂层表面形成很薄的 Cr2O3陶瓷层,因而提高了该涂层的耐腐蚀性能。


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