碳化钨颗粒尺寸对超音速火焰喷涂WC-Co涂层形成的影响

通过探讨WC颗粒对扁平粒子厚度及喷涂后WC颗粒尺寸变化的影响，研究了超音速火焰喷涂过程中WC－Co深层的沉积过程。使用具有不同WC尺寸的四种WC-Co粉末，采用JET－KOTE喷枪系统喷制了WC－Co涂层。结果发现涂层中WC颗粒的大小主要取决于原始粉末中WC的尺寸．在粉末穿越火焰的过程中，大多数WC处于固态；WC-Co涂层的沉积涉及固液两相离子的扁平化，而不是象在优化条件下金属或陶瓷材料喷涂过程中仅存在单一液相的情况。很明显WC-Co粉末中的WC的大小对涂层的形成影响很大、在超音速火焰喷涂条件下当液固粒子碰撞到已形成的涂层表面上时，其中的大颗粒WC粒子容易被反弹脱落。基于实验结果，提出了计算由液相聚积固相形成的波固两相颗粒碰撞到表面时形成扁平粒子的厚度的模型。     

亚微米WC添加对超音速火焰喷涂WC-Co涂层磨损性能影响

采用超音速火焰喷涂方法(HVOF)在304不锈钢基体表面制备WC和WC-12Co的复合涂层WC-Co,研究亚微米WC的添加对涂层相组成、显微硬度、耐磨性能和表面形貌的影响。利用X射线衍射、压痕法、往复式摩擦磨损实验和扫描电子显微镜(SEM)分别对涂层的相组成、显微硬度、磨损性能和表面形貌进行分析测试,并分析涂层的磨损过程和机制。结果表明,添加质量分数5%的亚微米WC颗粒显著提高了涂层的显微硬度(16.3%);增强了涂层的耐磨性,磨损率从6.09×10-7 mm3/Nm减小到5.15×10-7 mm3/Nm(减小13.8%);亚微米WC颗粒喷涂后在涂层中保持了WC相,并主要存在于WC-Co扁平粒子界面和孔隙。基于涂层中扁平粒子的结合特性与磨损失效特征,建立强化模型,分析亚微米WC颗粒对涂层扁平粒子界面的强化机制。     

亚微米WC添加对超音速火焰喷涂WC–Co涂层磨损性能影响

采用湿法球磨将亚微米WC（~300 nm）和WC–12Co粉末混合均匀并使亚微米WC均匀粘附于WC–12Co粉末的表面,采用超音速火焰喷涂方法（HVOF）在304不锈钢基体表面制备WC和WC–12Co的WC–Co复合涂层,研究亚微米WC的添加对涂层相组成、显微硬度、耐磨性能和表面形貌的影响。利用X射线衍射分析涂层相组成,压痕法测试涂层的显微硬度,通过往复式摩擦磨损实验测试磨损性能,扫描电子显微镜（SEM）对涂层磨损表面和断面进行微观形貌观察,并分析涂层的磨损过程和机制。结果表明,添加质量分数5%的亚微米WC颗粒显著提高了涂层的显微硬度（16.3%）;增强了涂层的耐磨性,磨损率从6.09×10-7 mm3/Nm减小到5.15×10-7 mm3/Nm（减小13.8%）;亚微米WC颗粒喷涂后在涂层中保持了WC相,并主要存在于WC–Co扁平粒子界面和孔隙。基于涂层中扁平粒子的结合特性与磨损失效特征,建立强化模型,分析亚微米WC颗粒对涂层扁平粒子界面的强化机制。     

HVOF喷涂WC-12Co粒子在不同基体上的沉积行为

采用超音速火焰喷涂方法(HVOF)在铝合金、紫铜和不锈钢基体上制备WC-12Co扁平粒子,利用扫描电子显微镜(SEM)对半熔化两相粒子的扁平行为及与基体结合状况进行观察分析,并将半熔化WC-Co粒子与基体碰撞模型简化为液相的Co粒子和固相的WC颗粒分别与基体相互作用的过程,通过改进后的数学模型计算基体与粒子的相对形变比λ。结果表明:HVOF喷涂WC-12Co扁平粒子在铝、铜和不锈钢基体上分别呈现半球状、薄饼状和溅射状形貌,不同形貌的扁平粒子形变比λ不同。与半球状(λ1)和溅射状(λ1)扁平形式相比,形成薄饼状(λ≈1)的扁平粒子时粒子与基体均发生适度的变形,有助于增加粒子与基体的有效结合面积,提高结合强度。     

粉末结构对HVOF喷涂WC-Co涂层组织性能的影响

选用4种不同WC尺度的WC-12Co粉末作为初始喂料,通过超音速火焰喷涂系统(HVOF)制备了涂层。考察了不同粉末结构对涂层沉积过程的脱碳行为和涂层组织性能的影响。结果表明:WC颗粒尺寸减小加剧了涂层脱碳行为,涂层中W2C含量增加,粘结相非晶化现象明显,涂层硬度增加,但是当WC颗粒尺寸减小到纳米尺度时,韧性下降。双峰结构涂层表现出最好的韧性同时兼备较高的硬度。     

1Cr9MoVNbN叶片WC-Co防护涂层结构与性能研究

采用等离子喷涂和超音速火焰喷涂工艺在汽轮机动叶片1COMoVNbN母材上制备了WC-Co防护涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和高温冲蚀试验机等技术研究了涂层的相结构、表面形貌、孔隙率以及抗高温氧化和抗固体微粒侵蚀性能。结果表明,超音速火焰喷涂相比于等离子喷涂所制备的涂层中,WC相含量较多,涂层致密,孔隙率小。超音速火焰喷涂制备的含17%Co的WC-Co涂层相比于母材具有较好的抗高温氧化和抗固体微粒侵蚀性能。     

水轮机过流部件表面WC-CoCr涂层的失效机理

应用于多泥沙河流水轮机过流部件的超音速火焰喷涂WC-CoCr涂层在服役中受到泥沙作用而发生磨蚀。喷涂扁平粒子内部的WC硬质相受到泥沙作用而发生脱落。WC扁平粒子碎片或喷涂飞溅部分在泥沙磨蚀作用下发生整体脱落。文中基于涂层现场采样分析和空蚀、冲蚀、磨损等试验研究超音速火焰喷涂WC-CoCr涂层的现场服役失效机理。结果表明:WC涂层的抗磨损性能约为基体的16倍;但其30°攻角下的抗冲蚀性能并不明显;经过8h空蚀试验后,WC涂层的空蚀率下降至母材的70%。空蚀过程中,涂层的损伤从孔隙部位开始扩展,在空蚀的作用下,涂层磨蚀损伤加剧。在真实服役环境下WC颗粒的剥落、喷涂涂层粒子的剥落以及涂层中的孔隙诱发空蚀损伤是导致涂层失效的主要因素。     

Cr含量对超音速火焰喷涂WC/Co复合涂层组织及电化学特性影响研究

研究了超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备WC/12Co和WC/10Co4Cr涂层的组织形貌与电化学特性。采用SEM及XRD对WC-Co复合涂层进行了微观形貌分析及物相分析,在3.5%Na Cl溶液中对涂层进行了电化学分析。结果表明,涂层由较大的WC颗粒及粘结相组成,在喷涂过程中WC颗粒不断累积形成层片状结构,在喷涂过程中涂层有不同程度的失碳,形成了具有脆性的W2C。电化学极化测试表明,由于Cr元素的加入,WC/10Co4Cr涂层的腐蚀电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率及腐蚀深度均优于WC/12Co涂层,表现出更为优异的抗电化学腐蚀性能。     

等离子喷涂纳米粒子混合WC-Co涂层性能研究

采用等离子喷涂技术制备了WC-Co涂层,所采用2种喂料分别为普通微米材料和混合纳米粒子的材料.分析了涂层的显微形貌、物相成分以及显微硬度、耐磨性等.研究结果表明:喷涂态的纳米WC粒子混合WC-Co涂层中的WC晶粒尺寸小于100 nm.纳米WC粒子混合涂层晶粒尺寸更小,WC颗粒分布更加均匀.WC颗粒的弥散强化和细晶强化作用使得涂层韧性、塑性更好.减缓了应力的集中,使微裂纹的产生和扩展几率降低.纳米WC粒子混合涂层更易生成高硬度的η1相以及立方结构物质,改善了涂层的塑性,使滑移方向更多,提高了涂层抵抗磨损的能力.纳米WC粒子混合涂层的细晶强化效应使得WC颗粒的接触数量更多,提高了涂层的硬度.普通涂层的磨损表面存在很多细小的裂纹,容易产生脆性断裂.纳米WC粒子混合涂层韧性较好,抗磨损能力更强.     

氧气-空气混合助燃超音速火焰喷涂WC-Co涂层性能研究

采用液体燃料氧气-空气混合助燃超音速火焰喷涂(HVO/AF)工艺在45钢表面制备WC-Co涂层,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征了涂层的微观结构及相组成,并对涂层的孔隙率、显微硬度和结合强度进行了分析.研究结果表明,采用液体燃料氧气-空气混合助燃超音速火焰喷涂制备的涂层均具有较好的性能,超音速火焰喷涂氧气与空气混合比例对涂层的性能影响较大,采用HVO/AF喷涂技术能有效地抑制WC的氧化和分解,降低了涂层的孔隙率,提高了WC-Co涂层的硬度和结合强度等性能.涂层质量要好于传统的氧气助燃超音速火焰喷涂.     

[例12]超音速火焰喷涂用于冷轧张力辊的复合制造与再制造

超音速火焰喷涂(简称HVOF)是利用可燃气体在氧气助燃下释放的化学能为热源,燃气在特殊结构的喷涂枪中形成超音速焰流使喷涂粉末以熔融状态高速撞击到工件表面制备出喷涂层.超音速火焰喷涂的特点:具有高的喷涂粒子速度和相对较低的温度,特别适合于喷涂WC等金属陶瓷材料;喷涂层的压应力结构有利于制备较厚的涂层;喷涂效率高,燃气价格较低,经济性好.     

表面工程应用实例 [例12]超音速火焰喷涂用于冷轧张力辊的复合制造与再制造

超音速火焰喷涂(简称HVOF)是利用可燃气体在氧气助燃下释放的化学能为热源,燃气在特殊结构的喷涂枪中形成超音速焰流使喷涂粉末以熔融状态高速撞击到工件表面制备出喷涂层.超音速火焰喷涂的特点:具有高的喷涂粒子速度和相对较低的温度,特别适合于喷涂WC等金属陶瓷材料;喷涂层的压应力结构有利于制备较厚的涂层;喷涂效率高,燃气价格较低,经济性好.     

表面喷涂对不锈钢零件耐磨性能的影响

在不锈钢表面采用超音速火焰喷涂了WC-10Co-4Cr涂层,并对喷涂粉末和涂层的显微形貌、物相组成进行了表征,研究了基体与涂层的耐磨性能。结果表明,不锈钢表面涂层与基体以机械结合为主、冶金结合为辅,基体与涂层间过渡良好,未发现气孔或者微裂纹缺陷;原始喷涂粉末的物相组成为WC、Co和少量Co3W3C相,经过超音速火焰喷涂处理后,涂层的物相组成为WC、Co6W6C和W2C相;经过超音速火焰喷涂处理后,涂层的摩擦磨损性能明显优于不锈钢基体,这主要与致密的涂层硬度较高、抗摩擦磨损能力更强有关。     

超音速火焰喷涂低碳WC/12Co涂层的组织及性能研究

采用离心雾化干燥法制得团聚颗粒,经连续高温烧结成两种不同松装密度的热喷涂粉末。采用以C3H8/O2为燃料的超音速火焰喷涂（HVOF）工艺制备了WC/12Co涂层。对粉末及涂层做了显微组织观察和XRD分析,测定了涂层的厚度、显微硬度和粉末沉积效率。结果表明,在1120℃、1180℃烧结的粉末中主要有WC和W6Co6C,但无Co相;涂层有脱碳,有Co6W6C相,但未出现单质Co。涂层组织均匀致密,沉积效率可达65%。     

高速低温喷涂气固作用行为及喷涂系统研究进展

高速低温喷涂是利用固相或含固相的低温粉末在高速度、高动能作用下碰撞基体表面沉积的喷涂方法,具有氧化轻微、 结合牢固、组织致密、综合力学性能优异等潜在优势,在高性能金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造和零件损伤修复等领域获得广泛关注。以粉末低温高速碰撞沉积过程为主线,凝练现有冷喷涂和低温超音速火焰喷涂两种具体工艺的共性特征,阐明喷涂气流与粉末颗粒的气固两相交互作用规律,分析出合理调控颗粒温度和速度是改善沉积体性能的关键。其次分析高速低温喷涂设备系统的构成,详细讨论各核心部件的结构设计策略及对气固流动行为的影响,总结出通过调整工艺参数与喷枪结构,可以实现颗粒温度和速度的按需控制。最后,对高速低温喷涂工艺及设备系统发展目前尚存的关键问题进行展望。总结如何通过喷涂参数与装置设计,最终达成调控沉积体性能的目的,有助于深入理解高速低温喷涂的沉积机理,对研制高性能的喷涂设备系统具有参考意义。     

WC晶体结构特征对HVOF喷涂纳米结构WC-CoCr涂层组织及性能的影响

为提高纳米结构WC-CoCr涂层的综合力学性能,采用超音速火焰喷涂（HVOF）工艺制备纳米结构和超细结构WC-CoCr涂层。探讨了不同晶体特征的WC粉末对颗粒飞行和沉积变形过程的脱碳行为、涂层微观组织及力学性能的影响。结果表明：含有高密度位错的超细WC粉末在喷涂过程中发生了严重的氧化脱碳,形成了大量的W₂C相,涂层孔隙率较大,断裂韧性显著降低。而含有显著孪晶的纳米WC颗粒具有抑制WC脱碳和增强涂层断裂韧性的作用,纳米结构涂层呈现低脱碳率、高致密性、高硬度和高断裂韧性的优良综合性能。     

钛表面厚碳化钨涂层研究进展

钛表面制备厚的碳化钨耐磨涂层的方法主要有喷焊、喷涂、激光熔覆3种。火焰喷焊可在钛表面制备2 400μm厚的WC耐磨涂层,涂层性能稳定,与基体为冶金结合;可通过预活化钛合金表面、增加重熔、中温回火等方式改善涂层性能。采用超音速火焰技术喷涂团聚烧结型的WC-Co粉末,可在钛表面制备4 153μm厚的耐磨层,涂层易出现W_2C脆性相、η反应相;通过工艺控制,涂层孔隙率可小于1%。采用激光熔覆可在钛表面制备2 900μm厚的WC耐磨层,涂层与基体虽为冶金结合,但存在裂纹、气孔等缺陷。3种方法均可制备毫米级厚的WC耐磨涂层,这种厚涂层将大大延长设备的使用寿命。     

超音速火焰喷涂WC/Co涂层的组织性能研究

分析比较了等离子喷涂、超音速火焰喷涂的WC／Co涂层的形貌、显微组织、孔隙率、硬度、结合强度及其耐磨性。结果表明：超音速火焰喷涂涂层具有与粉末相近的相结构，与等离子喷涂相比涂层具有高的致密度、硬度和良好的耐磨性，涂层与基体结合情况也得到很大的改善。     

粉末结构对冷喷涂纳米结构WC-Co沉积行为的影响

纳米结构WC-Co具有比常规WC-Co更高的硬度,因此受到了广泛关注.冷喷涂制备纳米结构WC-Co涂层过程中,因粒子温度低于熔点,沉积过程需要依靠WC-Co粒子的塑性变形,然而WC-Co粒子变形能力有限,使得WC-Co涂层难以实现有效沉积.文中从粉末结构角度出发,选用3种不同孔隙结构的WC-12Co粉末,运用扫描电镜研究不同结构WC-12Co单个粒子在基体上的沉积行为,分析了3种粉末在相同喷涂工艺参数下沉积的涂层的组织结构.研究发现,定点喷涂容易实现,沉积的WC-12Co沉积层组织结构致密,硬度接近块材,为粉末的连续沉积制备涂层提供了可能.涂层的连续沉积需要粉末和基体材料均产生一定的变形,具有一定孔隙结构的纳米结构WC-Co粉末,因其多孔结构促进了粉末拟变形的发生,适合于冷喷涂制备纳米结构WC-Co涂层.     

超细/纳米结构WC-10Co-4Cr涂层的透射电镜表征与性能分析

利用真空原位还原碳化反应合成超细/纳米WC-Co复合粉末,通过添加一定量Cr获得WC-10Co-4Cr复合粉末,经团聚造粒获得喷涂用复合粉末喂料,采用超音速火焰(HVOF)喷涂系统制备出超细/纳米结构的WC-10Co-4Cr涂层。利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜和透射电子显微镜对涂层的物相、显微组织结构、元素分布特征等进行了系统表征,并对涂层耐磨性、耐蚀性进行了测试分析。结果表明:基于原位反应合成WC-Co复合粉制备的超细/纳米结构WC-10Co-4Cr涂层具有较好的耐磨性和耐腐蚀性。涂层以WC为主相,含有非晶结构的粘结相Co(Cr),同时存在少量六方晶体结构的W_2C相和非晶复相W_2C+Co(Cr)。对涂层中元素Co和Cr的分布进行了量化分析,得到其从WC晶粒到相界到共晶区再到Co区的变化规律。结合WC-10Co-4Cr复合粉末和超音速火焰喷涂工艺的特点,阐释了Cr在WC-10Co-4Cr涂层分布状态的形成原因,并讨论了对涂层性能的影响。