超音速火焰喷涂纳米结构WC—Co涂层研究进展

刘晓丽 李明

摘 要：随着航空制造技术的飞速发展，超音速火焰喷涂技术得到一定程度的引用，纳米涂层材料与传统涂层材料相比而言，其具有许多优势，它的强度、韧性都十分优良，但是，WC-Co热量一直处于不稳定的状态中，便使纳米涂层功能受到一定的影响。因此，本文便对超音速火焰喷涂纳米结构WC-Co涂层结构的特点、问题、现状进行了分析研究，从而使纳米涂层结构喷涂技术得到更大的发展。

关键词：超音速火焰 纳米结构 WC-Co涂层

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0104-02

超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温、高速燃烧焰流，燃烧焰流速度可达5马赫（1500m/s）以上。目前，通常被称作HVOF（High-velocity oxygen-fuel）。将粉末轴向送进该火焰，可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，并加速到高达300～500m/s甚至更高的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量的涂层。超音速火焰速度很高，但温度相对较低，约为3000℃，对于WC-Co系硬质合金，可以有效地抑制WC在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高而且致密、耐磨损性能优越，其耐磨损性能大幅度超过等离子喷涂层，与爆炸喷涂层相当，也超过了电镀硬铬层、喷熔层，应用极其广泛。

1 超音速火焰喷涂纳米结构WC-Co涂层结构的特点

在超音速火焰对飞机喷涂的过程中，王海滨指出涂层便发生一定程度的分解，不同材料分解的粉末数量是不同的，传统材料喷涂出金属物性质，而纳米涂层材料却喷涂颗粒性的物质[1]。WC-Co的分解率比较小，在涂层喷涂过程中，便会产生许多非品态形的物质，此外，在粉末不断分解的过程中，同样会产生许多物质，纳米涂层具有紧固的特点，然而在其对飞机进行喷涂的时候，会产生相应的问题。纳米结构在快速冷却的环境下，会形成比较稳定的结构涂层，在此基础上，纳米结构涂层便具有强大的结合性，从而使纳米涂层材料得到相应的发展。针对超音速火焰喷涂纳米结构WC-Co涂层结构的特点，人类应不断探索相关的措施，从而使火焰喷涂飞机的技术朝着积极的态势发展[2]。

2 纳米涂层结构材料存在的问题

2.1 碳化物氧化脱碳

陈小明研究发现在同一实验背景下，普通纳米结构与传统材料相比较，纳米材料比传统材料的涂层更加坚固，但在一定情况下，纳米涂层会发生碳化物氧化脱碳的问题[3]。此种涂层的耐磨性较差，在超重负载的情况下，如在陶瓷球对纳米材料影响的情况下，纳米粒子便会被逐渐吸引而脱落，因此，纳米结构涂层的耐磨性是不容考量的。在高速火焰对飞机进行喷涂的条件下，程振雄深入比较普通涂层与纳米涂层的区别，实验结果显示，在一定的磨力条件下，纳米WC—Co涂层受到的磨损率较大，比传统涂层的磨损率高1.4～3.1倍，此涂层磨损力较差的原因为：在喷涂的过程中，WC会产生一些脆弱性的物质，使纳米涂层的质量减少，进而其耐磨程度降低，产生碳化物氧化脱碳的问题[4]。

2.2 纳米晶体变大

在一定的技术方法下，纳米结构在喷涂的过程中，耐磨性有一定程度的降低，此外，纳米晶体在燃烧的过程中，会产生晶体变大的现象。在人类研究纳米涂层的过程中，发现传统超音速火焰对飞机进行喷涂时，喷涂温度为3000℃，而纳米晶体在此过程中，会产生晶体变大的现象。在不断的喷涂中，纳米晶体虽然处于纳米量度参数范围内，涂层的实用功能性却依然存在，但在此种情况下，查柏林认为应该使火焰温度得到一定程度的减弱，从而使纳米晶体的受热性变低[5]。研究显示，在对晶体加热的过程中，即使是较短的加热过程中都能使晶体颗粒长大的速度变慢。为了减少晶体变大现象的发生，人们应掌控喷涂过程中的工艺数据并在此基础上优化工艺参数，使晶体长大的速度得到相应的控制。此外，在喷涂的过程中，周伍喜认为可以加入一定程度的抑制性物质，抑制剂不仅能使颗粒保持原始的状态，还能使氧化脱碳发生的频率得到降低，在抑制剂的作用下，便提高了涂层的耐磨度[6]。

2.3 纳米粉末沉积

在火焰喷涂的过程中，会产生极小的纳米粉末颗粒，此种颗粒较小，便容易聚集在一起，因此，颗粒便不能进行一定程度的流动。此外，国洪建提出在火焰喷涂的过程中，粉末需要处于稳定的运行状态中，在适当的粉末流动状态下，火焰喷涂纳米涂层技术才能不断提高[7]。现今，人们已想出一定的方法解决这一问题，在燃烧过程中，加入一定数量的粘结剂，便能减少粉末聚集的现象，此外，在粉末中加入一定数量的大颗粒物质，粉末发生聚集的频率将会降低。因此，在超音速火焰对飞机喷涂的过程中，查柏林指出其喷洒速度非常快，容易形成较大的火焰喷涂冲击力，便会影响涂层的效能[8]。

3 超音速火焰喷涂纳米结构WC-Co在飞机制造中的现状研究

3.1 提高制备工艺

超音速火焰喷涂技术是一种热喷涂技术，也是一种新型的喷涂工艺，在燃烧的过程中，在燃烧温度较低的情况下，会发生粉末增多的现象。因此，丁坤英提出要使WC的分解速率得到一定程度的降低，便需要较高的涂层技术，涂层具有较高的结合度，能使粉末中的颗粒得到一定程度的保留，在此种情况下，此种技术便被广泛地应用[9]。纳米涂层与传统的涂层结构相比而言，雒晓涛认为纳米涂层的硬度得到一定程度的提高，提高率高达50%以上，磨损性能也得到了相应的改善。在大量的实验过程中，人类发现纳米涂层的颗粒虽然在燃烧过程中产生了一定程度的氧化，但在相应条件下，依然比普通涂层的影響作用大[10]。

在超音速火焰对飞机进行喷涂期间，会产生许多问题，在其燃烧过程中，会出现粉末颗粒变大、产生碳氧化物的问题，为了减少此种情况的发生，人们便运用冷喷涂技术对其进行一定程度的调整，在此过程中，便会产生较少的WC分解现象。丁彰雄在研究中提出，在合适的温度下对粉末进行相应程度的喷涂，能使纳米结构的燃烧效果更佳，冷喷涂技术是一种新型的技术，此技术在温度较低的情况下，便能使晶体变大的频率得到一定程度的降低，由此，便会出现较少的氧化现象[11]。在冷喷技术的不断应用下，张祥林认为纳米涂层技术能得到相应的发展，此外，冷喷技术依然存在一定程度的问题，如喷涂的颗粒不能进行一定的融化，涂层间空隙率较大，在此种情况下，人们便需要研究一种全新的火焰喷涂技术，使超音速火焰喷涂技术得到一定程度的提高，在今后的喷涂过程中，使晶体变大的频率得到一定的降低[12]。在制备工艺不断提高的情况下，超音速火焰喷涂纳米结构WC-Co涂层研究进展将会得到一定程度的提高。

3.2 优化超音速火焰喷涂工艺

赵辉提出颗粒间的碰撞形态决定了晶体之间的相互作用性能，颗粒的运行速度与火焰的燃烧速度有一定程度的联系，在一定条件下，颗粒的变化形态与火焰的流向程度也有一定的联系，在一定的喷涂技术下，颗粒的运行时间会发生一定程度的变化，火焰的温度、飞行速率与颗粒的运行速度有相应程度的联系。在此种相互影响下，颗粒便会发生相应的变化[13]。苟国庆在研究中表明，在超音速火焰喷涂飞机技术不断发展的过程中，人们对喷涂的参数进行了不断的研究，在喷涂参数的影响下，燃烧颗粒的运行速度会产生相应的变化，而涂层结构便会发生一定程度的改变[14]。

在传统的喷涂过程中，喷涂中会产生较高的热量，从而纳米涂层结构的综合性能便会发生一定程度的变化，为使颗粒速率减少的情况，超音速火焰喷涂技术便得到相应的发展。对于同一种颗粒而言，不同的涂层喷涂技术能使纳米涂层产生不同程度的变化，超音速火焰的涂層性能会随着具体条件发生一定程度的变化，火焰的流量能影响火焰的温度，从而使火焰温度产生相应的变化。伴随着热喷涂技术的不断提高，王群指出，颗粒的燃烧速度会从变大的趋势向变小的趋势逐渐转变，起初，在火焰加速运行的过程中，涂层的气流流量会发生一定程度的变化，火焰气流的涂层质量与火焰运行速度有较大的联系，在喷涂工艺不断优化的情况下，我国超音速火焰喷涂纳米机构涂层的技术便会得到一定程度的提高[15]。因此，飞机在被超音速火焰喷涂后，其涂层的耐磨综合性能便会提升。

4 结语

总而言之，与普通涂层技术相比而言，超音速纳米涂层具有一定程度的优势，纳米涂层的综合性能比较优良。现今，超音速火焰喷涂技术能使WC-Co涂层得到相应的发展，在人们不断研究的基础上，超音速火焰技术的应用会有更大程度的突破。在科学技术飞速发展的情况下 ，该项技术将会在未来的航空制造产业中发挥越来越重要的作用，使国防力量得到一定程度的提升，实现强军富民。

参考文献

[1] 王海滨，宋晓艳，刘雪梅.WC-Co复合粉末的原位合成及于硬质合金涂层制备中的应用[J].表面技术，2016，45（9）：10-17.

[2] 国俊丰，张春鸣，冀晓鹃.沉没辊用纳米WC-Co涂层性能研究[J].热喷涂技术，2016，11（2）：25-29.

[3] 陈小明，周夏凉，吴燕明.超音速火焰喷涂微、纳米结构WC-10Co4Cr涂层及其性能[J].金属热处理，2016，41（5）：52-56.

[4] 程振雄，乌焕涛，叶福兴.粉末结构对HVOF喷涂WC-Co涂层组织性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2015，44（12）：3219-3223.

[5] 查柏林，高双林，乔素磊.超音速火焰喷涂参数及粉末粒度对WC-12Co涂层弹性模量的影响[J].材料工程，2015，43（4）：92-97.

[6] 周伍喜，李玉玺，杨再江.WC-Co（Cr）超音速火焰喷涂粉末和涂层性能[J].粉末冶金材料科学与工程，2014，19（5）：805-811.

[7] 国洪建，梁补女，林小军.超音速火焰喷涂两种WC-17%Co涂层的组织和性能研究[J].兰州工业学院学报，2014，21（2）：21-25.

[8] 查柏林，乔素磊，袁晓阳.粉末粒度对HVOF制备WC-12Co涂层性能的影响[J].热加工工艺，2014，43（4）：138-140.

[9] 丁坤英.涂覆WC-17Co的Ni718在不同环境温度下的低周疲劳行为[D].天津大学，2014.

[10] 雒晓涛.冷喷涂纳米结构cBN-NiCrAl金属陶瓷涂层的显微结构与力学性能的研究[D].西安交通大学，2017.

[11] 丁彰雄，陈伟，曹正黄.HVOF制备的多峰WC-12Co涂层摩擦磨损特性[J].摩擦学学报，2014，31（5）：425-430.

[12] 张祥林，李伟，王爱华，超音速火焰喷涂技术在模具修复中的应用[J].模具工业，2015，36（9）：62-65.

[13] 赵辉，丁彰雄.超音速火焰喷涂纳米结构WC-12Co涂层耐泥沙冲蚀性能研究[J].热加工工艺，2015，38（10）：84-88.

[14] 苟国庆，陈辉.HVOF喷涂纳米WC-17Co涂层组织结构及力学行为研究[J].材料导报，2013，23（2）：47-50.

[15] 王群，丁彰雄，吴维冬.超音速火焰喷涂纳米结构涂层研究进展[J].表面技术，2016，14（2）：42-46.