热喷涂技术制备碳化钨涂层的研究现状和发展趋势

摘 要：热喷涂技术由于具有极大的优势而被广泛的应用在工程领域中。其中利用热喷涂技术制备碳化钨硬质合金涂层是热喷涂技术的一个主要应用。碳化钨涂层具有极高的表面硬度和良好的耐磨损性能并且具有耐腐蚀抗氧化性能等性能而被广泛的应用在工程领域中。该文主要介绍采用热喷涂技术制备碳化钨涂层的研究现状与发展趋势。主要介绍超音速火焰喷涂技术，等离子喷涂技术，电弧喷涂技术和火焰喷涂技术制备碳化钨涂层的研究现状和发展。

关键词：热喷涂技术 碳化钨涂层 超音速火焰喷涂 等离子喷涂 电弧喷涂

中图分类号：TG174文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0014-03

目前热喷涂技术在工程领域中已经获得了广泛的应用。采用热喷涂技术可以制备碳化钨硬质合金涂层。WC硬质颗粒具有极高的硬度、强度、弹性模量和化学稳定性，对抵抗外界摩擦、磨损和腐蚀具有重要作用[1-4]。碳化钨涂层具有极高的表面硬度和良好的耐磨损性能并且具有较高的抗腐蚀性能和抗氧化性能等而被广泛的应用在工程领域中[1-4]。热喷涂碳化钨/钴硬质合金作为耐磨损涂层，由于其良好的硬度和韧性广泛地应用于工程领域[1-4]。热喷涂碳化钨陶瓷涂层在耐磨损性能，耐腐蚀蚀性，耐疲劳性能等方面具有明显的优势。本文主要介绍采用热喷涂技术制备碳化钨涂层的制备工艺和研究现状与发展趋势。本文主要介绍超音速火焰喷涂技术，等离子喷涂技术，电弧喷涂技术和火焰喷涂技术制备碳化钨涂层的研究现状和发展。并介绍各种热喷涂工艺制备的碳化钨涂层的性能与研究发展现状。

1 超音速火焰喷涂技术制备碳化钨涂层的研究现状与发展

超音速火焰喷涂碳化钨涂层可以替代电镀硬铬层。超音速火焰喷涂由于可以快速地沉积硬度较高的耐磨损耐腐蚀涂层，从而被认为是最有可能替代电镀硬铬的工艺[1-4]。目前国外主要评价了氧气助燃超音速火焰（HVOF）喷涂制备WC涂层替代电镀硬铬的综合性，包括涂层对基体疲劳性能的影响、涂层的摩擦磨损和韧性等[1-4]。采用超音速火焰喷涂（HVOF）可以制备WC-CoCr涂层替代硬铬镀层。空气助燃超音速火焰喷涂（HVAF）具有火焰温度更低，粒子速度更高的特点[1-4]，超音速火焰喷涂WC涂层可以提高起落架超高强钢的疲劳性能。WC-Co是常用的WC系涂层材料具有良好的韧性但抗盐雾腐蚀性能较差；WC-CoCr是在WC-Co上发展起来的，其特点是具有良好的抗腐蚀性能，具有抗疲劳和耐摩擦磨损性能。超音速火焰喷涂WC涂层具有较高的抗热疲劳性能。采用HVOF技术喷涂WC涂层，并对涂层的抗热疲劳行为进行研究。试验结果表明HVOF涂层经过热震试验后涂层均保持完好无损未出现裂纹及剥落等任何缺陷。这充分说明了HVOF涂层具有非常高的抗热疲劳性能[5-8]。超音速火焰喷涂（HVOF）技术是热喷涂领域的进步，HVOF可以大幅度提高热喷涂涂层的结合强度。因此HVOF技术对提高涂层的抗热疲劳性能有很大贡献。因此采用HVOF技术制备WC涂层并对涂层的抗热疲劳性能进行检测[5-8]。超音速火焰喷涂制备的碳化钨涂层具有良好的抗高温氧化和耐冲蚀性能。采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术喷涂WC涂层，并对其抗高温氧化性能和耐冲蚀性能进行测定。HVOF制备的WC-17Co、WC-12Co、NiCrBSi+35WC涂层具有非常良好的抗高温氧化性能和耐冲蚀性能。其中WC-17Co涂层表现出优良的抗冲蚀能力。利用超音速火焰喷涂技术（HVAF）可以制备WC-10%Co4%Cr涂层并研究其性能。利用空气助燃超音速火焰喷涂（HVAF）制备WC-10%Co4%Cr涂层，研究喷涂粉末粒径、WC颗粒大小等对涂层的喷涂沉积率、硬度、韧性、结合强度和耐腐蚀等综合性能的影响[5-8]。

超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备的WC涂层具有优秀的耐磨损性能。采用超音速火焰喷涂技术在钢基体上制备WC-Co涂层，对所获涂层的组织结构与性能进行分析，并通过磨粒磨损试验研究了WC涂层的耐磨损性能。试验结果表明所获WC-Co涂层与基体金属结合良好并且涂层较为致密，其显微硬度在HV1000以上；WC-Co涂层的耐磨损性能非常优异，所获WC-Co涂层显示了更加稳定的耐磨损性能。超音速火焰喷涂涂层具有优良的耐磨损性能。采用超音速火焰喷涂方法在钢基体上制备了NiCr，316L，10Co4Cr/WC，12Co/WC等4种涂层，对涂层组织进行了金相观察，测试了涂层的硬度及耐磨损性能。超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对30CrMnSiA钢防护性能的影响。为增强30CrMnSiA钢的耐磨损与防腐蚀性能，采用超音速火焰喷涂制备WC-10Co4Cr防护涂层，并与传统硬铬镀层进行性能对比[5-10]。显微硬度与摩擦磨损测试表明WC-10Co4Cr涂层的硬度较硬铬镀层的硬度得到显著提高，WC-10Co4Cr涂层的耐磨损性能得到显著提高；耐腐蚀实验表明WC-10Co4Cr具有较高的耐腐蚀性能，具有良好的长期防护效果。

超音速火焰喷涂（HVOF）制备的微纳米结构WC-12Co涂层具有优良的抗空蚀性能。采用HVOF工艺制备了二种微纳米结构及一种普通微米WC-12Co金属陶瓷复合涂层。HVOF技术制备的WC涂层具有良好的耐磨损性能。采用超音速火焰喷涂技术在钢基体上制备WC-Co涂层并对所获涂层的组织结构与性能进行分析，并通过磨粒磨损试验研究了WC涂层的耐磨损性能。试验结果表明：所获WC-Co涂层与基体金属结合良好涂层较为致密其显微硬度较高；WC-Co涂层的耐磨损性能非常优异，所获WC-Co涂层显示了更加稳定的耐磨损性能。HVOF喷涂纳米WC-17Co涂层组织结构及力学行为。利用超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备普通和超细纳米WC-17Co涂层。研究了喷涂粉末，涂层的微观组织结构和物相成分，测试了涂层的显微硬度，弹性模量，断裂韧性。纳米涂层的显微硬度，弹性模量，断裂韧性最高。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。针对WC-12Co和WC-17Co超音速火焰喷涂层（HVOF），研究其在大气环境下从室温至800℃的摩擦磨损性能，并结合涂层的氧化试验，氧化产物的物相组成分析磨痕表面形貌观测，探索高温氧化对涂层摩擦磨损机制的影响[5-13]。喷涂工艺参数对纳米NiCr/WC涂层与基体间结合强度的影响。以纳米NiCr/WC粉末为原料，采用活性燃烧超音速火焰喷涂技术制备了NiCr/WC金属陶瓷涂层。研究了工艺参数对纳米NiCr/WC涂层与基体之间结合强度的影响。采用超音速火焰喷涂（HVOF）工艺在钢基体上制备了WC-10Ni涂层和WC-12Co涂层，研究了镍，钴这两种粘结剂对WC涂层的显微硬度，摩擦系数和抗磨粒磨损性能的影响，探讨了WC涂层的磨粒磨损机理。结果表明以HVOF方法制备的WC涂层均有较高的显微硬度，涂层在低载荷下均有较好的抗磨粒磨损性能，但在较高载荷下WC-12Co涂层的抗磨损性明显优于WC-10Ni涂层。涂层的磨粒磨损形式主要为均匀磨耗磨损，磨损机理以微切削和微剥落为主。WC-12Co涂层的磨损表面损伤较轻微综合性能优于WC-10Ni涂层[5-13]。

2 空气助燃超音速火焰喷涂碳化钨涂层的研究现状与发展

超音速火焰喷涂包括超音速氧气火焰喷涂（HVOF）和超音速空气火焰喷涂（HVAF）两种工艺。近年来又出现了采用空气作为助燃剂的超音速火焰喷涂技术，即HVAF该工艺火焰温度低于2000℃，远低于一般超音速火焰喷涂。超音速火焰喷涂（HVOF）技术是热喷涂领域的进步，与等离子喷涂技术相比，HVOF可以大幅度提高热喷涂涂层的结合强度，并且同时减小甚至消除了涂层中的氧化物含量。采用空气助燃超音速火焰喷涂（HVAF）技术制备WC涂层，对该涂层的耐磨损性能，耐腐蚀性能，韧性，涂层结合强度等性能进行了研究，并与电镀硬铬层进行了性能与实际使用寿命对比。结果表明：采用HVAF制备的WC涂层的耐磨性是电镀硬铬层的10倍，涂层的耐腐蚀性和韧性明显优于电镀硬铬层。超音速火焰喷涂（HVAF）制备Ni-WC合金涂层组织与显微硬度分析。采用HVAF喷涂制备WC-12Co涂层，并研究WC涂层的空蚀、磨损及磨蚀性能研究。采用WC-12Co粉末通过活性燃烧高速燃气喷涂（AC-HVAF）技术制备WC-12Co耐磨损涂层，并对涂层的磨损性能及机理进行系统的试验研究。研究表明喷涂粉末性能对涂层结合强度、显微硬度、孔隙率及磨损性能有重要的影响。

3 电弧喷涂技术制备碳化钨涂层的研究现状与发展

电弧喷涂制备FeCrAl/WC涂层的组织和高温冲蚀行为。采用粉芯丝材和高速电弧喷涂技术制备高温氧化环境下抗冲蚀磨损FeCrAl/WC涂层。对FeCrAl/WC涂层的组织、成分和涂层表面冲蚀磨损形貌进行了分析。采用高温冲蚀磨损试验机对FeCrAl/WC涂层在不同温度、攻角下的冲蚀磨损性能进行了测试。结果表明，高速电弧喷涂FeCrAl/WC涂层具有颗粒增强复合材料的层状组织特征。FeCrAl/WC涂层均呈现韧性冲蚀行为冲蚀磨损抗力，探讨了FeCrAl/WC涂层高温冲蚀磨损机理。高速电弧喷涂FeMnCrAl/Ni包覆WC涂层组织与性能。采用预处理常温超声波化学镀方法制备Ni包覆WC复合粉体，以其作为增强相的粉芯丝材通过高速电弧喷涂技术制备FeMnCrAl/Ni包覆WC涂层。研究Ni包覆WC复合粉体对涂层组织结构及性能的影响。结果表明Ni包覆WC复合粉体能改善涂层中各相之间的结合状态，减少涂层中氧化物和孔隙率，提高涂层与基体的结合强度和涂层的内聚强度，改善了涂层抗冲蚀磨损性能[14]。WC陶瓷相因具有硬度高、耐磨性好、红硬性较好等特点，被用作热喷涂层的增强相材料，如采用高速电弧喷涂制备FeCrAl/WC和Fe-FeB-WC涂层。因此采用预处理技术对陶瓷粉体进行化学镀前处理，然后通过超声低温化学镀的方法制备金属Ni包覆WC复合粉体作为电弧喷涂层的增强相，以达到提高陶瓷粉体相与金属基涂层之间的浸润性和降低陶瓷相的氧化脱碳等现象的目的。通过高速电弧喷涂技术制备FeMnCrAl/Ni包覆WC涂层试样，然后对涂层的组织结构、显微硬度、结合强度、内聚强度和抗冲蚀磨损性能进行试验研究，并对冲蚀机理进行分析，得出Ni包覆WC复合粉体对涂层组织结构及性能影响的规律。利用高速电弧喷涂技术将FeCrAl/WC粉芯丝材制备出FeCrAl/WC复合涂层。通过对涂层的显微组织和力学性能的研究，得出FeCrAl/WC复合涂层的组织呈现出典型的层状结构特征；涂层综合力学性能优异具有较高结合强度高致密度较佳的耐热震性能等特点。

4 等离子喷涂制备碳化钨涂层的研究与发展

等离子喷涂WC涂层具有优良的摩擦磨损特性。采用销盘式摩擦磨损试验机研究等离子喷涂WC涂层与GCr15钢配副的摩擦磨损特性。结果表明WC涂层的耐磨性能比基体材料得到显著提高。因此WC涂层可显著提高钢铁制动摩擦副的使用性能和使用寿命。等离子喷涂WC颗粒增强Ni基涂层组织及抗冲蚀性能。采用等离子喷涂工艺制备WC颗粒增强Ni基涂层分析了涂层的显微组织，并对其抗冲蚀磨损性能进行了测试[15-16]。超音速等离子喷涂具有喷涂效率高，涂层与基体结合致密等特点，并且超音速等离子喷涂可以制备碳化钨耐磨损涂层。所以超音速等离子喷涂在工程领域得到广泛应用[15-16]。采用超音速等离子喷涂技术制备WC-12Co涂层，使用摩擦磨损试验机测试涂层的组织结构及摩擦学性能。结果发现超音速等离子喷涂12Co-WC涂层组织致密，WC涂层结合强度高，涂层具有良好的摩擦磨损性能。

5 火焰喷涂制备碳化钨涂层的研究进展

利用火焰喷涂技术制备Ni60和Ni60-WC涂层并研究火焰喷涂制备的Ni60和Ni60-WC涂层的组织结构。结果表明Ni60涂层和Ni60-WC涂层均呈冶金结合特征，与基体结合较好。Ni60-WC涂层中有尺寸较大的因未能完全熔解而以块状颗粒存在的WC颗粒。重熔技术包括喷涂和重熔两个过程，这两个过程可以先后进行也可以同时进行[17，18]。在喷涂过程中，粉末通过热源的加热，一般以半熔化状态沉积到工件上。重熔是粉末或喷涂层在工件上的熔融过程。涂层重熔技术消除了喷涂层中的气孔和氧化物夹渣，并与金属基体产生冶金结合，从而大幅度提高致密性和结合强度，使涂层有更优的耐腐蚀、耐磨损和抗冲击性能。Ni-WC合金是一类应用广泛的具有优良耐磨抗蚀性能的涂层材料，重熔时合金具有良好的流动性和自脱氧造渣性能从而能够获得结晶致密与基体结合良好的高强度涂层。另外WC在涂层中形成弥散分布的高硬度物相，使涂层具有良好的耐磨性能。在喷涂材料Fe/WC中添加少量的纳米Ni、纳米CeO2以及不同含量的纳米WC，采用亚音速火焰喷涂方法在Q235钢上制备涂层，通过对涂层组织及性能的检测，探讨纳米WC对涂层显微组织、显微硬度以及耐磨性的影响。结果表明添加适量的纳米WC可以改善涂层组织提高涂层的显微硬度及其耐磨性[17-18]。

6 碳化钨涂层的摩擦磨损行为研究进展

碳化钨涂层是一种减少工件磨损的有效保护涂层。常用堆焊、粉末冶金、激光熔覆、热喷涂等方法制备WC硬质粗颗粒型复合涂层这也是目前最耐磨的材料之一。超音速火焰喷涂可以制备WC-12Co涂层，超音速火焰喷涂可以制备WC-17Co涂层，低压等离子喷涂可以制备WC-12Co涂层，低压等离子喷涂可以制备WC-17Co涂层和等离子喷涂可以制备WC-12Co涂层。通过熔覆工艺在不锈钢基体表面制备Ni基WC耐磨涂层。对涂层中的金属陶瓷相进行成分与分布的表征，并考察相分布对涂层硬度和耐磨性能的影响。通过球盘摩擦实验对耐磨性能进行评价。已出现火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、激光喷涂以及电弧喷涂等多种表面涂层保护技术。与其它热喷涂技术相比，高速电弧喷涂技术具有涂层性能优良、便捷高效、经济节能安全可靠等优点。Fe-Mn-Cr系合金具有成本较低耐磨耐腐蚀性良好。FeMnCrAl/Cr3C2高锰奥氏体合金涂层具有良好的力学性能和抗高温氧化性能。WC陶瓷相因具有硬度高、耐磨性好、红硬性较好等特点，因此被广泛用作热喷涂层的增强相材料，如采用等离子喷涂和爆炸喷涂制备Co-WC、Ni-WC金属陶瓷涂层。采用高速电弧喷涂制备Fe-Al/WC和FeCrAl/WC涂层时，发现添加WC陶瓷相后，涂层的显微硬度和耐磨性明显得到改善。通过高速电弧喷涂技术制备FeMnCrAl/WC涂层试样，然后对涂层的组织结构、显微硬度、结合强度和抗热震性能进行试验研究并对热震失效机理进行分析。

7 结语

热喷涂技术由于具有极大的优势而被广泛的应用在工程领域中。其中利用热喷涂技术制备碳化物硬质合金涂层是热喷涂技术的的一个主要应用。碳化物涂层具有极高的表面硬度和良好的耐磨损性能具有腐蚀抗氧化性能等性能而被广泛的应用在工程领域中。本文主要介绍采用热喷涂技术制备碳化物涂层的研究现状与发展趋势。主要介绍超音速火焰喷涂技术，等离子喷涂技术，电弧喷涂技术和火焰喷涂技术制备碳化物涂层的研究现状和发展。

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