Teil 2: Herstellungsprozess von Hartmetall
Kapitel 6: Beschichtungs- und Verbundtechnologie
Hartlegierungen ( WCCo ) spielen aufgrund ihrer hervorragenden Härte (HV 1500–2500 ± 30), guten Zähigkeit (K₁c 8–20 MPa·m¹/² ± 0,5) und hervorragenden Druckfestigkeit (> 4000 MPa ± 100 MPa) eine wichtige Rolle in der Luft- und Raumfahrt, im Bergbau, in der Energietechnik und in der Tiefseetechnik. Unter extremen Arbeitsbedingungen stellen jedoch hohe Temperaturen (> 1000 °C ± 10 °C), starke Korrosion (pH-Wert < 4 ± 0,1) und hohe Stoßfestigkeit (> 103 Hz ± 100 Hz) höhere Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit, und eine einzelne Hartlegierung kann diese Anforderungen nur schwer vollständig erfüllen.
Beschichtungs- und Verbundtechnologie verbessern die Verschleißfestigkeit (Verschleißrate <0,06 mm³/ N·m ± 0,01 mm³/ N·m ), Korrosionsbeständigkeit (Korrosionsrate <0,01 mm/Jahr ± 0,002 mm/ Jahr) und Wärmeermüdungsbeständigkeit (Lebensdauer > 10⁵-fach ± 10⁴-fach) durch Oberflächenmodifizierung (Beschichtungsdicke 10–200 μm ± 1 μm) und Strukturoptimierung (Gradientenschicht, Nano-WC <100 nm ± 5 nm) . Diese Technologien verlängern nicht nur die Lebensdauer von Hartmetall, sondern erweitern auch seinen Anwendungsbereich, beispielsweise bei Turbinenschaufeln für die Luftfahrt (Lebensdauer > 5000 Stunden ± 500 Stunden), Bohrmeißeln für den Bergbau (> 1500 m ± 100 m) und Tiefseeventilen (> 5 Jahre ± 0,5 Jahre).
In diesem Kapitel werden die wichtigsten Prozesse und technischen Prinzipien aus vier Blickwinkeln erörtert: Vorbereitung der Hartmetallbeschichtung , Beschichtungsmaterialien, Gradienten- und nanostrukturiertes Hartmetall und Leistungstests für Beschichtungen . Die Beschichtungsvorbereitung konzentriert sich auf thermische Spritztechnologie (wie HVOF, APS, Detonationsspritzen) und erreicht eine Beschichtung mit hoher Härte (HV 1200–1500±30) durch Optimierung der Spritzparameter (Geschwindigkeit 600–4000 m/s±10 m/s, Temperatur 2000–15000 °C±100°C); die Materialoptimierung umfasst WCCo , WCNiCr und Mehrphasenbeschichtungen (wie WCTiCNi), wobei Härte und Zähigkeit ausgeglichen werden (K₁ c 10–15 MPa·m¹ /² ± 0,5); Gradienten und Nanostruktur verbessern die Gesamtleistung (Festigkeit > 4500 MPa±100 MPa) durch Schnittstellentechnik und Nanokristallverstärkung; Leistungstests bestätigen die Beschichtungszuverlässigkeit gemäß Normen (wie ASTM G65, ISO 6508). Jeder Abschnitt kombiniert Prozessdetails, wissenschaftliche Mechanismen, Optimierungsstrategien und technische Praktiken, um den Kernwert der Beschichtungs- und Verbundtechnologie aufzuzeigen.
Beispielsweise sorgt eine HVOF-Sprühbeschichtung mit WC12Co (Geschwindigkeit 700 m/s ± 10 m/s, Dicke 100 μm ± 1 μm) dafür, dass Turbinenschaufeln in der Luftfahrt in Hochtemperatur-Luftströmen (1000 °C ± 10 °C) einen geringen Verschleiß aufweisen (<0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/ N·m ) und eine Lebensdauer von über 5000 Stunden ± 500 Stunden erreichen. Gradientes WCCo (Co-Gehalt 5–15 % ± 1 %) verbessert die Schlagfestigkeit von Bohrmeißeln im Bergbau bei Bohrtiefen von 1800 m ± 100 m. Eine Nano-WC-Beschichtung (Korn < 100 nm ± 5 nm) wird für Tiefseeventile verwendet und weist eine Korrosionsbeständigkeit von über 5 Jahren ± 0,5 Jahren auf. Dieses Kapitel schließt durch Prozessparameter und Leistungsdaten nahtlos an Kapitel 5 (Formen und Sintern, WC-Partikelgröße 0,1–10 μm ± 0,01 μm, Dichte > 99,5 % ± 0,1 %) an und legt den Grundstein für die nachfolgenden Kapitel (Anwendung und Optimierung).
6.1 Vorbereitung der Hartmetallbeschichtung
Hartmetallbeschichtungen werden durch thermisches Spritzen, physikalische/chemische Gasphasenabscheidung (PVD/CVD) oder Laserauftragschweißen hergestellt, um Funktionsbeschichtungen (Dicke 10–200 μm ± 1 μm, Härte HV 1200–1500 ± 30) auf Hochleistungssubstraten (Härte HV 1500–2500 ± 30, Oberflächenrauheit Ra < 0,05 μm ± 0,01 μm) abzuscheiden. Diese Beschichtungen verbessern die Verschleißfestigkeit (Verschleißrate < 0,06 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N· m) , Korrosionsbeständigkeit (Korrosionsrate < 0,01 mm/Jahr ± 0,002 mm/Jahr) und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit (Oxidationsgewichtszunahme < 0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm² ) erheblich und erfüllen so die Anforderungen anspruchsvoller Arbeitsbedingungen. Aufgrund ihrer hohen Effizienz (Abscheidungsrate > 90 % ± 2 %), Flexibilität (anwendbare Substratgröße > 100 mm ± 1 mm) und Wirtschaftlichkeit (Kosten < 500 USD/m² ± 50 USD) wird die thermische Spritztechnologie bevorzugt eingesetzt und findet breite Anwendung in der Luftfahrt, im Bergbau und in der Energiebranche.
Dieser Abschnitt erläutert detailliert die drei Haupttechnologien Hochgeschwindigkeits-Brennstoffspritzen (HVOF), Plasmaspritzen (APS) und Detonationsspritzen und analysiert deren Prozessprinzipien, Parameteroptimierung und Anwendungsszenarien. Die Beschichtungsqualität hängt von den Spritzparametern (Geschwindigkeit, Temperatur, Spritzabstand), den Pulvereigenschaften (Partikelgröße 10–50 µm ± 1 µm, Fließfähigkeit 12–15 Sekunden/50 g ± 0,5 Sekunden) und der Substratvorbehandlung (Rauhigkeit Ra 2–5 µm ± 0,1 µm) ab. Anhand der Thermofluidmechanik (Strahlgeschwindigkeit 600–4000 m/s ± 10 m/s) und des Grenzflächenbindungsmechanismus (Bindungsfestigkeit 50–80 MPa ± 5 MPa) wird die Kerntechnologie erläutert.
Beispielsweise wird eine HVOF-gespritzte WC12Co-Beschichtung (Porosität <1 % ± 0,2 %) für Flugzeugturbinenschaufeln verwendet und erreicht eine Lebensdauer von über 5000 ± 500 Stunden. Eine APS-gespritzte WCNiCr -Beschichtung (Dicke 150 µm ± 1 µm) erhöht die Lebensdauer von Bergbaubohrern auf 1500 ± 100 m. Im Folgenden finden Sie eine umfassende Anleitung zur Herstellung von Hochleistungsbeschichtungen unter Berücksichtigung von Prozessdetails, Einflussfaktoren und technischer Praxis.
6.1.1 Hochgeschwindigkeits-Brennstoffspritzen (HVOF, Schichthärte HV 1200-1500)
Prozessprinzip und Technologieübersicht
Das Hochgeschwindigkeits-Brennstoffspritzen (HVOF) ist ein hocheffizientes thermisches Spritzverfahren, das durch die Verbrennung von Sauerstoff und Brennstoff einen Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsstrahl erzeugt, der Pulverwerkstoffe auf dem Hartmetallsubstrat abscheidet und eine hochharte, verschleißfeste Beschichtung bildet. Kernstück des HVOF ist der Überschallstrahl (Geschwindigkeit 600–800 m/s ± 10 m/s), der die Pulverpartikel ( WCCo , Partikelgröße 10–45 μm ± 1 μm) teilweise schmilzt und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat trifft, wo eine dichte Beschichtung (Porosität < 1 % ± 0,2 %) entsteht.
Im Vergleich zum herkömmlichen Spritzverfahren hat HVOF eine niedrigere Temperatur (2000–3000 °C ± 50 °C), wodurch die WC-Zersetzung (<0,5 % ± 0,1 %) wirksam vermieden wird und es sich für die Herstellung von Hochleistungs-Hartmetallbeschichtungen eignet. Die HVOF-Ausrüstung umfasst eine Spritzpistole (Leistung > 100 kW ± 10 kW), eine Brennkammer (Druck 5–10 bar ± 0,5 bar) und eine Lavaldüse (Halsdurchmesser 8–12 mm ± 0,1 mm). Sauerstoff (Reinheit > 99,5 % ± 0,1 %, Durchfluss 800–1200 l/min ± 10 l/min) reagiert in der Brennkammer mit Kraftstoff (z. B. Kerosin, Durchfluss 0,3–0,5 l/min ± 0,01 l/min) und setzt eine hohe Enthalpie (> 10 MJ/kg ± 0,5 MJ/kg) frei.
Der Strahl wird durch die Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, wodurch das Pulver auf das Substrat (Ra 2–5 µm ± 0,1 µm) trifft und flache Spritzpartikel (Durchmesser 50–100 µm ± 5 µm) bildet. Dies gewährleistet eine Haftfestigkeit von 50–80 MPa ± 5 MPa. Durch diesen Prozess erreicht die Beschichtung eine Härte von HV 1200–1500 ± 30, was in der Luftfahrt, im Bergbau und anderen Bereichen weit verbreitet ist.
Prozessparameter und Abscheidungsmechanismus
Die HVOF-Beschichtungsbildung umfasst vier Phasen: Verbrennung, Partikelbeschleunigung, Schmelzen und Ablagerung:
Verbrennungsstufe
Sauerstoff reagiert mit Brennstoff und erzeugt einen Hochtemperaturstrahl (3000 °C ± 50 °C). Die Temperatur liegt unter dem Zersetzungspunkt von WC (~ 3500 °C ± 50 °C), wodurch der Karbidverlust (< 0,5 % ± 0,1 %) reduziert wird. Die thermische Enthalpie (> 10 MJ/kg ± 0,5 MJ/kg) gewährleistet die vollständige Erwärmung der Partikel.
Teilchenbeschleunigung
Das Pulver wird im Strahl beschleunigt (Geschwindigkeit 700 m/s±10 m/s, Verweilzeit <1 ms±0,1 ms ) , die Oberfläche schmilzt (Schmelzrate 70–90 %±2 %), der Kern bleibt fest (<50 %±5 % geschmolzen) und WC-Körner (0,5–2 μm±0,01 μm) bleiben erhalten.
Partikelschmelzen und Aufprall
Die halbgeschmolzenen Partikel treffen auf das Substrat und bilden flache Spritzer. Durch mechanische Verzahnung und Spurendiffusion (Tiefe <1 μm ± 0,1 μm) entsteht eine hohe Bindungsstärke (> 60 MPa ± 5 MPa).
Verfestigung der Beschichtung
Durch schnelles Abkühlen (Rate >10 ⁶ K/s±10 ⁵ K/s) entsteht eine dichte Beschichtung (Porosität <1 %±0,2 %) mit einer Härte von HV 1400±30.
Die Strahldynamik folgt dem Bernoulli-Prinzip (Geschwindigkeit ~√(2ΔP/ρ), ρ~1 kg/m³ ± 0,1 kg/m³ ) , und die Wärmeleitfähigkeit beträgt 10⁴ W/m²·K±10³ W/m²·K. Durch Optimierung der Sprühdistanz (250 mm±5 mm) und des Sauerstoffdurchflusses (1000 l/min±10 l/min) kann die Porosität auf <0,8 %±0,1 % reduziert werden. Beispielsweise hat die per HVOF gesprühte WC12Co-Beschichtung (Geschwindigkeit 700 m/s±10 m/s, Dicke 100 μm±1 μm) eine Härte von HV 1400±30 und eine Porosität von <0,8 %±0,1 %, womit sie den hohen Anforderungen an die Verschleißfestigkeit von Turbinenschaufeln für Flugzeuge gerecht wird.
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