Часть 2: Процесс приготовления твердого сплава
Глава 6: Технология покрытий и композитов
Твердый сплав ( WCCo ) играет важную роль в аэрокосмической, горнодобывающей, энергетической и глубоководной технике благодаря своей превосходной твердости (HV1500-2500±30), хорошей ударной вязкости (K₁c 8-20 МПа·м¹/² ± 0,5) и превосходной прочности на сжатие (>4000 МПа±100 МПа). Однако в экстремальных рабочих условиях, при высоких температурах (>1000°C±10°C), сильной коррозии (pH<4±0,1) и сильном ударе (>10³Гц ± 100 Гц) предъявляются более высокие требования к эксплуатационным характеристикам поверхности, и один твердый сплав с трудом может полностью удовлетворить этим требованиям.
Технология покрытия и композита значительно повышает износостойкость (скорость износа <0,06 мм³/ Н·м ± 0,01 мм³/ Н·м ), коррозионную стойкость (скорость коррозии <0,01 мм/год ± 0,002 мм/ год) и термическую усталостную стойкость (срок службы > 10 ⁵ раз ± 10 ⁴ раз) за счет модификации поверхности (толщина покрытия 10-200 мкм ± 1 мкм) и структурной оптимизации (градиентный слой, нано WC <100 нм ± 5 нм) . Эти технологии не только продлевают срок службы цементированного карбида, но и расширяют область его применения, например, лопатки авиационных турбин (срок службы > 5000 часов ± 500 часов), горнодобывающие буровые коронки (> 1500 м ± 100 м) и глубоководные клапаны (> 5 лет ± 0,5 года).
В этой главе рассматриваются ключевые процессы и технические принципы с четырех аспектов: подготовка покрытия из твердого сплава , материалы покрытия, градиентный и наноструктурированный твердый сплав и испытания эксплуатационных характеристик покрытия . Подготовка покрытия фокусируется на технологии термического напыления (такой как HVOF, APS, детонационное напыление) и достигает покрытия высокой твердости (HV 1200-1500 ± 30) путем оптимизации параметров напыления (скорость 600-4000 м/с ± 10 м/с, температура 2000-15000 °C ± 100 °C); оптимизация материала охватывает WCCo , WCNiCr и многофазные покрытия (такие как WCTiCNi), балансируя твердость и вязкость (K ₁ c 10-15 МПа·м ¹ / ² ± 0,5); градиент и наноструктура улучшают комплексные характеристики (прочность> 4500 МПа ± 100 МПа) за счет проектирования интерфейса и укрепления нанокристаллов; Тестирование производительности проверяет надежность покрытия в соответствии со стандартами (такими как ASTM G65, ISO 6508). Каждый раздел объединяет детали процесса, научные механизмы, стратегии оптимизации и инженерные методы, чтобы раскрыть основную ценность технологии покрытий и композитов.
Например, покрытие WC12Co, нанесенное методом HVOF (скорость 700 м/с ± 10 м/с, толщина 100 мкм ± 1 мкм), позволяет лопаткам авиационных турбин сохранять низкий износ (< 0,05 мм³/Н·м ± 0,01 мм³/ Н·м ) в высокотемпературном воздушном потоке (1000 °C ± 10 °C), со сроком службы более 5000 часов ± 500 часов; градиентное покрытие WCCo (содержание Co 5%-15% ± 1%) повышает ударопрочность горнодобывающих буровых коронок, при глубине бурения 1800 м ± 100 м; нанопокрытие WC (зерно < 100 нм ± 5 нм) используется для глубоководных клапанов, со стойкостью к коррозии более 5 лет ± 0,5 года. Эта глава органично связана с главой 5 (формование и спекание, размер частиц WC 0,1–10 мкм ± 0,01 мкм, плотность > 99,5% ± 0,1%) посредством параметров процесса и данных о производительности, закладывая основу для последующих глав (применение и оптимизация).
6.1 Подготовка покрытия из твердого сплава
Покрытия из цементированного карбида готовятся методом термического напыления, физического/химического осаждения из паровой фазы (PVD/CVD) или лазерной наплавки для нанесения функциональных покрытий (толщина 10-200 мкм ± 1 мкм, твердость HV 1200-1500 ± 30) на высокопроизводительные подложки (твердость HV 1500-2500 ± 30, шероховатость поверхности Ra < 0,05 мкм ± 0,01 мкм). Эти покрытия значительно улучшают износостойкость (скорость износа < 0,06 мм³ / Н · м ± 0,01 мм³ / Н · м ) , коррозионную стойкость (скорость коррозии < 0,01 мм/год ± 0,002 мм/год) и стойкость к окислению при высоких температурах (прирост веса при окислении < 0,1 мг/см² ± 0,02 мг/см² ) , отвечая требованиям сложных условий работы. Технология термического напыления является предпочтительным выбором из-за ее высокой эффективности (скорость осаждения > 90% ± 2%), гибкости (применимый размер подложки > 100 мм ± 1 мм) и экономичности (стоимость < 500 долл. США/м² ± 50 долл. США) и широко применяется в авиации, горнодобывающей промышленности и энергетике.
В этом разделе подробно рассматриваются три основные технологии высокоскоростного кислородного напыления (HVOF), плазменного напыления (APS) и детонационного напыления, а также анализируются принципы их процесса, оптимизация параметров и сценарии применения. Качество покрытия зависит от параметров напыления (скорость, температура, расстояние распыления), характеристик порошка (размер частиц 10-50 мкм ± 1 мкм, текучесть 12-15 секунд/50 г ± 0,5 секунды) и предварительной обработки подложки (шероховатость Ra 2-5 мкм ± 0,1 мкм). С помощью механики термической жидкости (скорость струи 600-4000 м/с ± 10 м/с) и механизма связи интерфейса (прочность связи 50-80 МПа ± 5 МПа) в этом разделе раскрывается основная технология.
Например, покрытие WC12Co, напыленное методом HVOF (пористость <1% ± 0,2%), используется для лопаток авиационных турбин с ресурсом по износу более 5000 часов ± 500 часов; покрытие WCNiCr, напыленное методом APS (толщина 150 мкм ± 1 мкм), увеличивает срок службы горнодобывающих буровых коронок до 1500 м ± 100 м. Ниже приведено комплексное руководство по подготовке высокопроизводительных покрытий с точки зрения деталей процесса, влияющих факторов и инженерной практики.
6.1.1 Высокоскоростное напыление кислородного топлива (HVOF, твердость покрытия HV 1200-1500)
Обзор принципа процесса и технологии
Высокоскоростное напыление кислородного топлива (HVOF) — это высокоэффективная технология термического напыления, которая генерирует высокотемпературную и высокоскоростную струю посредством сгорания кислорода и топлива для осаждения порошковых материалов на цементированную карбидную подложку для формирования высокотвердого, износостойкого покрытия. Ядром HVOF является сверхзвуковая струя (скорость 600-800 м/с ± 10 м/с), которая частично расплавляет порошковые частицы ( WCCo , размер частиц 10-45 мкм ± 1 мкм) и ударяет по подложке на высокой скорости, образуя плотное покрытие (пористость < 1% ± 0,2%).
По сравнению с традиционным напылением, HVOF имеет более низкую температуру (2000-3000°C ± 50°C), эффективно избегая разложения WC (<0,5% ± 0,1%), и подходит для получения высокопроизводительных покрытий из цементированного карбида. Оборудование HVOF включает распылительный пистолет (мощность> 100 кВт ± 10 кВт), камеру сгорания (давление 5-10 бар ± 0,5 бар) и сопло Лаваля (диаметр горловины 8-12 мм ± 0,1 мм). Кислород (чистота> 99,5% ± 0,1%, расход 800-1200 л/мин ± 10 л/мин) реагирует с топливом (например, керосином, расход 0,3-0,5 л/мин ± 0,01 л/мин) в камере сгорания, выделяя высокую энтальпию (> 10 МДж/кг ± 0,5 МДж/кг).
Струя разгоняется до сверхзвуковой скорости через сопло Лаваля, заставляя порошок ударяться о подложку (шероховатость Ra 2-5 мкм ± 0,1 мкм), образуя плоские брызговые частицы (диаметр 50-100 мкм ± 5 мкм), обеспечивая прочность сцепления 50-80 МПа ± 5 МПа. Этот процесс позволяет достичь твердости покрытия HV 1200-1500 ± 30, что широко используется в авиации, горнодобывающей промышленности и других областях.
Параметры процесса и механизм осаждения
Формирование покрытия HVOF включает четыре этапа: горение, ускорение частиц, плавление и осаждение:
Стадия сгорания
Кислород реагирует с топливом, образуя высокотемпературную струю (3000°C ± 50°C), температура ниже точки разложения WC (~3500°C ± 50°C), что снижает потери карбида (<0,5% ± 0,1%). Тепловая энтальпия (>10 МДж/кг ± 0,5 МДж/кг) обеспечивает полный нагрев частиц.
Ускорение Частиц
Порошок ускоряется в струе (скорость 700 м/с ± 10 м/с, время пребывания <1 мс ± 0,1 мс ) , поверхность плавится (скорость плавления 70% -90% ± 2%), ядро остается твердым (расплавлено <50% ± 5%), а зерна WC (0,5-2 мкм ± 0,01 мкм) сохраняются.
Плавление и удар частиц
Полурасплавленные частицы ударяются о подложку, образуя плоские брызги, а механическое сцепление и следовая диффузия (глубина <1 мкм ± 0,1 мкм) формируют высокую прочность сцепления (> 60 МПа ± 5 МПа).
Затвердевание покрытия
Быстрое охлаждение (скорость >10 ⁶ К/с±10 ⁵ К/с) приводит к образованию плотного покрытия (пористость <1%±0,2%) с твердостью HV 1400±30.
Динамика струи следует принципу Бернулли (скорость ~√(2ΔP/ρ), ρ~1 кг/м³ ± 0,1 кг/м³ ) , а теплопроводность составляет 10 4 Вт/м² · К±10 3 Вт/м² · К. Оптимизация расстояния распыления (250 мм ± 5 мм) и расхода кислорода (1000 л/мин ± 10 л/мин) может снизить пористость до <0,8% ± 0,1%. Например, покрытие WC12Co, напыленное методом HVOF (скорость 700 м/с ± 10 м/с, толщина 100 мкм ± 1 мкм), имеет твердость HV 1400 ± 30 и пористость < 0,8% ± 0,1%, что соответствует высоким требованиям износостойкости лопаток авиационных турбин.
READ MORE:
Customized R&D and Production of Tungsten, Molybdenum Products
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD have been working in the tungsten industry for nearly 30 years, specializing in flexible customization of tungsten and molybdenum products worldwide, which are tungsten and molybdenum design, R&D, production, and overall solution integrators with high visibility and credibility worldwide.
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD provide products mainly including: tungsten oxide products, such as tungstates such as APT/WO3; tungsten powder and tungsten carbide powder; tungsten metal products such as tungsten wire, tungsten ball, tungsten bar, tungsten electrode, etc.; high-density alloy products, such as dart rods, fishing sinkers, automotive tungsten crankshaft counterweights, mobile phones, clocks and watches, tungsten alloy shielding materials for radioactive medical equipment, etc.; tungsten silver and tungsten copper products for electronic appliances. Cemented carbide products include cutting tools such as cutting, grinding, milling, drilling, planing, wear-resistant parts, nozzles, spheres, anti-skid spikes, molds, structural parts, seals, bearings, high-pressure and high-temperature resistant cavities, top hammers, and other standard and customized high-hardness, high-strength, strong acid and alkali resistant high-performance products. Molybdenum products include molybdenum oxide, molybdenum powder, molybdenum and alloy sintering materials, molybdenum crucibles, molybdenum boats, TZM, TZC, molybdenum wires, molybdenum heating belts, molybdenum spouts, molybdenum copper, molybdenum tungsten alloys, molybdenum sputtering targets, sapphire single crystal furnace components, etc.
For more information about tungsten carbide products, please visit the website: tungsten-carbide.com.cn
If you are interested in related products, please contact us:
Email: sales@chinatungsten.com
Tel: +86 592 5129696 / 86 592 5129595
