碳化鎢——超音速火焰噴涂的“黃金搭檔”

超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)，是熱噴涂技術(shù)中的一種，其具有粒子飛行速度快、沉積速度快、結(jié)合強(qiáng)度大(大于70MPa) 、接近完全致密(孔隙率小于1%)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合于制備碳化鎢系列金屬陶瓷耐磨涂層，在替代電鍍硬鉻方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其硬度、厚度、耐蝕性、耐鹽霧性、結(jié)合強(qiáng)度和服役溫度均高于電鍍硬鉻。

超音速火焰噴涂(HVOF)的原理是使用高壓水冷反應(yīng)室和細(xì)長的噴射管將燃料與氧氣一起送入反應(yīng)室燃燒，從而產(chǎn)生高壓火焰，然后燃燒的火焰在噴射管的作用下被壓縮并加速噴射，可以沿軸向或從噴射管的側(cè)面軸向噴射噴粉。該技術(shù)按照助燃劑的不同可分為氧氣超音速火焰噴涂（HVOF）和空氣超音速火焰噴涂（HVAF）。

01.碳化鎢：現(xiàn)代工業(yè)的“盔甲”

碳化鎢（WC）主要用于制造硬質(zhì)合金，被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)的牙齒”。它的結(jié)構(gòu)呈簡單的六方結(jié)構(gòu)，晶胞為非中心對稱的結(jié)構(gòu)，具有極高的微觀硬度和彈性模量，顯微硬度約為23GPa，彈性模量約為700GPa。作為噴涂材料，碳化鎢是工業(yè)界公認(rèn)的“耐磨之王”，性能優(yōu)勢無可替代：

首先，硬度與耐磨性頂尖。碳化鎢涂層的顯微硬度可達(dá)HV1200-1600（HRC70-75），僅次于金剛石和立方氮化硼，是高速鋼的3倍以上，耐磨性是普通硬鉻鍍層的5-10倍。

其次，化學(xué)穩(wěn)定性與耐腐蝕性優(yōu)異。碳化鎢化學(xué)性質(zhì)惰性，可耐受酸、堿、鹽及硫化氫、氯離子等腐蝕介質(zhì)，在石油、化工等惡劣環(huán)境中，能有效抵御介質(zhì)侵蝕，避免基體被腐蝕破壞。

此外，高溫性能穩(wěn)定。在800-1000℃的高溫環(huán)境下，碳化鎢仍能保持85%以上的硬度，不會(huì)因高溫軟化而失去防護(hù)能力。

最后，性能可定制化。通過調(diào)整粘結(jié)相（鈷、鎳）的比例（6%-20%），可平衡涂層的硬度與韌性，適配不同工況需求。

純WC粉是由W與C的混合物，在石墨管電爐中加熱到一定的溫度后碳化而成的。純WC粉的潤濕性較差，在2700℃開始分解形成W2C和C，再加上其本征顯脆性，因此不能直接用作熱噴涂材料，用于噴涂的WC必須和金屬材料進(jìn)行復(fù)合。

WC粉常和Co、Ni-Cr、Ni及其它Ni基自熔性合金等組成復(fù)合粉末材料，復(fù)合材料中的主相（WC）提供高硬度和耐磨性能而塑性粘結(jié)相則提供必須的韌性。WC-Co是常用的WC系涂層材料具有良好的韌性但抗鹽霧腐蝕性能較差；WC-CoCr是在WC-Co上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是具有良好的抗腐蝕性能，具有抗疲勞和耐摩擦磨損性能。

從外型看，球形粉末流動(dòng)性和噴涂性能良好，在焰流中能夠均勻熔化；從粉末的潔面形貌可見，粉末均勻，制備的涂層均勻性好。

碳化鎢粉末SEM形貌

02.為何是黃金搭檔？

涂層性能的主要劣化因素是脫碳。一旦工藝參數(shù)不當(dāng)（如火焰溫度過高、燃料/氧比例不當(dāng)、送粉率過低），就會(huì)發(fā)生不同程度的脫碳。脫碳產(chǎn)物W2C脆性大，而游離碳（石墨）的存在會(huì)削弱涂層韌性和結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致涂層在服役過程中提前剝落失效。

而碳化鎢與超音速火焰噴涂的“黃金搭檔”關(guān)系，恰好高度互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的效果。

對于WC基等對熱敏感的材料，HVOF（超音速氧氣火焰噴涂）及其衍生技術(shù)HVAF（超音速空氣火焰噴涂）被公認(rèn)為是最佳的工藝選擇。其技術(shù)優(yōu)勢源于其獨(dú)特的“低溫高速”特性：

1）高速：燃燒產(chǎn)生的超音速焰流（速度常超過2000m/s）賦予粉末顆粒極高的動(dòng)能。顆粒以巨大能量撞擊基體，產(chǎn)生強(qiáng)烈的“鍛擊”效應(yīng)，從而形成極其致密、結(jié)合強(qiáng)度高的涂層。

2）低溫（相對APS而言）：HVOF/HVAF的火焰溫度通?？刂圃?000-3000 ℃，且顆粒在焰流中停留時(shí)間極短（<1 ms）。這可以將WC顆粒的溫度精確控制在剛好使金屬粘結(jié)相（Co）熔化，而高熔點(diǎn)的WC顆粒保持固態(tài)或輕微熔融的狀態(tài)，從而最大限度地抑制了WC的脫碳分解反應(yīng)：WC→W2C+C以及WC+O2→WO3+CO2

HVAF使用壓縮空氣代替氧氣作為助燃劑，其燃燒溫度更低（約1600-2000 ℃），而顆粒速度更高。因此，在抑制WC脫碳方面，HVAF通常表現(xiàn)出比HVOF更優(yōu)異的效果，尤其適用于噴涂納米結(jié)構(gòu)或超細(xì)結(jié)構(gòu)的WC-Co粉末。

03.應(yīng)用廣泛，全面防護(hù)

• 航天航空領(lǐng)域

在航天航空領(lǐng)域，超音速火焰噴涂碳化鎢已經(jīng)在航空領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，其占比例達(dá)到35%，主要應(yīng)用于渦輪葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)件等部件，解決高溫磨損、氧化問題，延長部件使用壽命。

國內(nèi)已有機(jī)構(gòu)成功將超音速火焰噴涂技術(shù)應(yīng)用在直升機(jī)航空傳動(dòng)系統(tǒng)中，包括：旋翼軸、行星齒輪架、中尾槳轂尾減輸出法蘭盤、內(nèi)側(cè)壓板、尾槳軸、尾減輸入齒輪、尾減輸出動(dòng)密封座等近20 種關(guān)鍵部件。

• 機(jī)械制造領(lǐng)域

在機(jī)械制造行業(yè)，液壓柱塞、模具、瓦楞輥、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)精密刀具等，對表面精度和耐磨性要求極高。超音速火焰噴涂涂層接近致密，耐磨性好，能夠滿足不同材質(zhì)冷沖模具的要求；在分體式還是整體式模具上均可制備碳化鎢等硬質(zhì)耐磨涂層；在其上制備硬質(zhì)耐磨涂層，可增加模具設(shè)計(jì)的自由度，縮短設(shè)計(jì)和制造周期。

在軸、棍類零部件在使用過程中，經(jīng)超音速火焰噴涂并經(jīng)過磨削、拋光等工序制備了100μm的WC－Co涂層，使用15月后，光潔度仍保持原始狀態(tài)，而原始輥輪需0.5～4月精磨一次才能維持原有的光潔度。

碳化鎢噴涂輥筒，來源：智川云層

• 石油化工領(lǐng)域

在石化行業(yè)中可采用熱噴涂加工技術(shù)進(jìn)行表面修復(fù)的工件有很多，如油泵柱塞、石油裝備偏心輪、閥桿、閥座、扶正器、卡爪等工件。閥桿、閥座等這類工件都可以采用超音速火焰噴涂工藝進(jìn)行噴涂修復(fù)，噴涂材料比較廣泛，可選用碳化鎢,涂層硬度能達(dá)到HV1100，結(jié)合強(qiáng)度＞70MPa等。

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