Parte 2: Proceso de preparación del carburo cementado
Capítulo 6: Tecnología de recubrimientos y compuestos
Las aleaciones duras ( WCCo ) desempeñan un papel importante en los campos de la ingeniería aeroespacial, minera, energética y de aguas profundas debido a su excelente dureza (HV1500-2500±30), buena tenacidad (K₁c 8-20 MPa·m¹ / ² ± 0,5) y excelente resistencia a la compresión (>4000 MPa±100 MPa). Sin embargo, en condiciones de trabajo extremas, altas temperaturas (>1000 °C±10 °C), corrosión fuerte (pH<4±0,1) e impactos elevados (>10³Hz ± 100 Hz) imponen mayores requisitos de rendimiento superficial, y es difícil que una sola aleación dura cumpla completamente con estos requisitos.
La tecnología de recubrimiento y compuestos mejora significativamente la resistencia al desgaste (tasa de desgaste <0,06 mm³/ N·m ± 0,01 mm³/ N·m ), la resistencia a la corrosión (tasa de corrosión <0,01 mm/año ± 0,002 mm/ año ) y la resistencia a la fatiga térmica (vida útil > 10 ⁵ veces ± 10 ⁴ veces) mediante la modificación de la superficie (espesor del recubrimiento 10-200 μm ± 1 μm) y la optimización estructural (capa de gradiente, nano WC <100 nm ± 5 nm ) . Estas tecnologías no solo extienden la vida útil del carburo cementado, sino que también amplían su rango de aplicación, como álabes de turbinas de aviación (vida útil > 5000 horas ± 500 horas), brocas de minería (> 1500 m ± 100 m) y válvulas de aguas profundas (> 5 años ± 0,5 años).
En este capítulo se analizan los procesos clave y los principios técnicos desde cuatro aspectos: preparación del recubrimiento de carburo cementado , Materiales de recubrimiento, carburo cementado nanoestructurado y de gradiente, y pruebas de rendimiento de recubrimiento . La preparación del recubrimiento se centra en la tecnología de pulverización térmica (como HVOF, APS, pulverización por detonación) y logra un recubrimiento de alta dureza (HV 1200-1500 ± 30) optimizando los parámetros de pulverización (velocidad 600-4000 m/s ± 10 m/s, temperatura 2000-15000 °C ± 100 °C); la optimización del material cubre WCCo , WCNiCr y recubrimientos multifásicos (como WCTiCNi), equilibrando dureza y tenacidad (K ₁ c 10-15 MPa·m ¹ / ² ± 0,5); el gradiente y la nanoestructura mejoran el rendimiento integral (resistencia > 4500 MPa ± 100 MPa) mediante ingeniería de interfaz y fortalecimiento de nanocristales; Las pruebas de rendimiento verifican la fiabilidad del recubrimiento según normas (como ASTM G65 e ISO 6508). Cada sección combina detalles del proceso, mecanismos científicos, estrategias de optimización y prácticas de ingeniería para revelar el valor fundamental de la tecnología de recubrimientos y compuestos.
Por ejemplo, el recubrimiento WC12Co pulverizado con HVOF (velocidad 700 m/s ± 10 m/s, espesor 100 μm ± 1 μm) permite que las palas de turbinas de aviación mantengan un desgaste bajo (<0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/ N·m ) en un flujo de aire de alta temperatura (1000 °C ± 10 °C), con una vida útil de más de 5000 horas ± 500 horas; el gradiente WCCo (contenido de Co 5%-15% ± 1%) mejora la resistencia al impacto de las brocas de minería, con una profundidad de perforación de 1800 m ± 100 m; el recubrimiento nano WC (grano <100 nm ± 5 nm) se utiliza para válvulas de aguas profundas, con una resistencia a la corrosión de más de 5 años ± 0,5 años. Este capítulo se conecta perfectamente con el Capítulo 5 (moldeo y sinterización, tamaño de partícula de WC 0,1-10 μm ± 0,01 μm, densidad > 99,5 % ± 0,1 %) a través de parámetros de proceso y datos de rendimiento, sentando las bases para los capítulos posteriores (aplicación y optimización).
6.1 Preparación del recubrimiento de carburo cementado
Los recubrimientos de carburo cementado se preparan mediante pulverización térmica, deposición física/química de vapor (PVD/CVD) o revestimiento láser para depositar recubrimientos funcionales (espesor 10-200 μm ± 1 μm, dureza HV 1200-1500 ± 30) sobre sustratos de alto rendimiento (dureza HV 1500-2500 ± 30, rugosidad superficial Ra < 0,05 μm ± 0,01 μm). Estos recubrimientos mejoran significativamente la resistencia al desgaste (tasa de desgaste < 0,06 mm³ / N · m ± 0,01 mm³ / N · m ) , la resistencia a la corrosión (tasa de corrosión < 0,01 mm/año ± 0,002 mm/año) y la resistencia a la oxidación a alta temperatura (ganancia de peso por oxidación < 0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm ² ) , cumpliendo con los requisitos de las exigentes condiciones de trabajo. La tecnología de pulverización térmica es la opción preferida debido a su alta eficiencia (tasa de deposición > 90% ± 2%), flexibilidad (tamaño de sustrato aplicable > 100 mm ± 1 mm) y economía (costo < $500/m² ± $ 50), y es ampliamente utilizada en los campos de la aviación, la minería y la energía.
Esta sección describe en detalle las tres tecnologías principales: pulverización de oxígeno combustible a alta velocidad (HVOF), pulverización de plasma (APS) y pulverización por detonación, y analiza sus principios de proceso, optimización de parámetros y escenarios de aplicación. La calidad del recubrimiento depende de los parámetros de pulverización (velocidad, temperatura, distancia de pulverización), las características del polvo (tamaño de partícula: 10-50 μm ± 1 μm, fluidez: 12-15 segundos/50 g ± 0,5 segundos) y el pretratamiento del sustrato (rugosidad Ra: 2-5 μm ± 0,1 μm). Mediante la mecánica de fluidos térmicos (velocidad del chorro: 600-4000 m/s ± 10 m/s) y el mecanismo de unión de la interfaz (resistencia de unión: 50-80 MPa ± 5 MPa), esta sección revela la tecnología principal.
Por ejemplo, el recubrimiento WC12Co pulverizado con HVOF (porosidad <1% ± 0,2%) se utiliza en álabes de turbinas de aviación, con una vida útil superior a 5000 ± 500 horas; el recubrimiento WCNiCr pulverizado con APS (espesor 150 ± 1 µm) aumenta la vida útil de las brocas de minería a 1500 ± 100 m. A continuación, se presenta una guía completa para la preparación de recubrimientos de alto rendimiento desde la perspectiva de los detalles del proceso, los factores influyentes y las prácticas de ingeniería.
6.1.1 Pulverización de combustible de oxígeno a alta velocidad (HVOF, dureza del recubrimiento HV 1200-1500)
Principio del proceso y descripción general de la tecnología
La pulverización de oxígeno combustible a alta velocidad (HVOF) es una tecnología de pulverización térmica altamente eficiente que genera un chorro de alta temperatura y velocidad mediante la combustión de oxígeno y combustible para depositar materiales en polvo sobre el sustrato de carburo cementado y formar un recubrimiento de alta dureza y resistencia al desgaste. El núcleo de la HVOF es el chorro supersónico (velocidad de 600-800 m/s ± 10 m/s), que funde parcialmente las partículas de polvo ( WCCo , tamaño de partícula de 10-45 μm ± 1 μm) e impacta el sustrato a alta velocidad para formar un recubrimiento denso (porosidad <1 % ± 0,2 %).
En comparación con la pulverización tradicional, el HVOF tiene una temperatura más baja (2000-3000 °C ± 50 °C), lo que evita eficazmente la descomposición del WC (<0,5 % ± 0,1 %) y es adecuado para la preparación de recubrimientos de carburo cementado de alto rendimiento. El equipo HVOF incluye una pistola pulverizadora (potencia > 100 kW ± 10 kW), una cámara de combustión (presión 5-10 bar ± 0,5 bar) y una boquilla Laval ( diámetro de garganta 8-12 mm ± 0,1 mm). El oxígeno (pureza > 99,5 % ± 0,1 %, caudal 800-1200 L/min ± 10 L/min) reacciona con el combustible (como el queroseno, caudal 0,3-0,5 L/min ± 0,01 L/min) en la cámara de combustión, liberando una alta entalpía (> 10 MJ/kg ± 0,5 MJ/kg).
El chorro se acelera a velocidad supersónica a través de la boquilla Laval, impulsando el polvo hasta el sustrato (rugosidad Ra 2-5 μm ± 0,1 μm), formando partículas planas (diámetro 50-100 μm ± 5 μm), lo que garantiza una resistencia de adhesión de 50-80 MPa ± 5 MPa. Este proceso permite que la dureza del recubrimiento alcance HV 1200-1500 ± 30, ampliamente utilizada en aviación, minería y otros sectores.
Parámetros del proceso y mecanismo de deposición
La formación del recubrimiento HVOF implica cuatro etapas: combustión, aceleración de partículas, fusión y deposición:
Etapa de combustión
El oxígeno reacciona con el combustible para generar un chorro de alta temperatura (3000 °C ± 50 °C). Esta temperatura es inferior al punto de descomposición del agua de condensación (~3500 °C ± 50 °C), lo que reduce la pérdida de carburo (<0,5 % ± 0,1 %). La entalpía térmica (>10 MJ/kg ± 0,5 MJ/kg) garantiza el calentamiento completo de las partículas.
Aceleración de partículas
El polvo se acelera en el chorro (velocidad 700 m/s ± 10 m/s, tiempo de residencia < 1 ms ± 0,1 ms ) , la superficie se funde (tasa de fusión 70%-90% ± 2%), el núcleo permanece sólido (< 50% ± 5% fundido) y los granos de WC (0,5-2 μm ± 0,01 μm) quedan retenidos.
Fusión de partículas e impacto
Las partículas semifundidas impactan el sustrato para formar salpicaduras planas, y el enclavamiento mecánico y la difusión de trazas (profundidad <1 μm ± 0,1 μm) forman una alta resistencia de unión (> 60 MPa ± 5 MPa).
Solidificación del recubrimiento
El enfriamiento rápido (velocidad >10 ⁶ K/s ± 10 ⁵ K/s) da como resultado un recubrimiento denso (porosidad <1 % ± 0,2 %) con una dureza de HV 1400 ± 30.
La dinámica del chorro sigue el principio de Bernoulli (velocidad ~√(2ΔP/ρ), ρ~1 kg/m³ ± 0,1 kg/m³ ) y la conductividad térmica es de 10 ⁴ W/m² · K±10 ³ W/m² · K. La optimización de la distancia de pulverización (250 mm±5 mm) y la tasa de flujo de oxígeno (1000 L/min±10 L/min) puede reducir la porosidad a <0,8%±0,1%. Por ejemplo, el recubrimiento WC12Co pulverizado HVOF (velocidad 700 m/s±10 m/s, espesor 100μm±1μm) tiene una dureza de HV 1400±30 y una porosidad de <0,8%±0,1%, que cumple con los altos requisitos de resistencia al desgaste de las palas de turbinas de aviación.
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