85W—11Co—4C碳化钨涂层工艺国产化研究

【摘 要】本文阐述了爆炸喷涂83W-14Co-3C碳化钨涂层工艺国产化研究过程；从对该项工艺方法技术查询入手，与某高校联合进行了技术研究工作，最终实现国内首次应用83W-14Co-3C碳化钨涂层工艺，填补了国内爆炸喷涂产品的空白。

【关键词】爆炸喷涂；碳化钨涂层；工艺国产化

1.任务来源

爆炸喷涂技术是一种先进的热喷涂技术，某型号产品参照法国图纸要求表面爆炸喷涂LW1N40碳化钨涂层实现减摩耐磨、延长使用寿命、提高飞行安全系数的目的。

LW1N40碳化钨涂层是美国联合碳化钨（Praxair）公司专利技术，该涂层具有较高的硬度和优异的耐磨粒磨损性能。由于美国联合碳化物公司一直将爆炸喷涂LW1N40涂层技术处于保密状态，不对外出售设备，仅在本公司内为用户提供制备涂层的服务，并且至今未发表过关于该技术的任何论文。国内许多从事爆炸喷涂的企业、高校及科研院所也从未涉及此涂层，没有相关涂层标准和资料，对LWIN40碳化钨涂层制备技术及涂层组成和涂层性能参数均不了解。而前苏联和乌克兰开发的爆炸喷涂技术，虽然喷涂原理相同，但是却采用简单的连续送粉方式，获得的涂层由于爆炸时粉末分散在爆炸管不同位置，涂层组织不均匀，结合强度低。

为打破国外技术封锁，尽快实现国产化的目的，成立了科研攻关课题组，专项研究与LWIN40碳化钨涂层性能相当的碳化钨涂层制备技术。

2.零件技术要求

（1）零件材料为EZ1CNDAT.12.9。

（2）零件外表面喷丸处理。

（3）零件外表面喷涂碳化钨涂层，磨削后涂层厚度0.1～0.15，最小厚度不小于0.07mm。

3.总体思路

按照项目需求，选用先进的碳化钨涂层制备方法——爆炸喷涂方法，立足国产碳化钨粉末，根据涂层性能要求，选用烧结型碳化钨粉末，选用大连海事大学制造的高性能爆炸喷涂专利设备进行涂层喷涂试验，以实现该爆炸喷涂该涂层工艺方法的全面国产化研制。

3.1技术方案

由于涂层性能项目繁多，而国内对碳化钨涂层性能检测标准尚未形成体系。如何从产品应用的角度确定碳化钨涂层性能检测项目及检测标准，直接影响到涂层性能的判定，这是工艺研究过程中非常棘手的问题。根据产品使用性能，通过对涂层各项性能指标特点的分析，确定涂层指标、试验方法及检测标准：

3.1.1涂层外观

涂层外观是涂层判定最基本的要素。零件涂层表面应完整致密、颜色均匀一致，无裂纹、剥落、分层、边缘翘起及磨削加工引起的烧伤等缺陷。

3.1.2涂层组成

碳化钨涂层的主要组成相为WC、W和Co，只有极少量碳化钨发生分解产生W2C相。由于涂层组成相的比例直接影响涂层的结合强度、密度、气孔率、耐磨性等性能，故严格控制涂层各组成相的比例分配是保证涂层性能的关键环节。

3.1.3涂层结合力

涂层的结合强度是涂层系统的重要的指标，常用的试验方法有胶接拉脱法、杯突法、弯曲、扭转法等结合力测试方法。按照HB 要求，进行胶接拉脱法涂层结合力试验。

3.1.4涂层硬度

涂层的硬度测定分为宏观硬度（洛氏表面硬度）和微观硬度（显微硬度和维氏硬度）。显微硬度和维氏硬度可以对涂层中的基体相和硬质相进行分别测定，涂层表面性能则主要考核其各种功能性，如对涂层的成份、结构和形貌，通过进行金相、电镜、 X射线衍射等方面的微观分析，最后对涂层性能和涂层界面性能进行评价。

综合上述分析，确定了涂层检测主要项目、参考项目及相关检测标准。

3.2试验件喷涂相关辅助设备的开发

3.2.1喷涂前表面处理

根据图纸技术要求，零件喷涂之前需要进行喷丸处理。要求零件表面粗糙度1.6， 喷丸深度0.3～0.4，弹丸直径0.6mm，重叠率150%。

3.2.2喷涂用卡具

由于零件台肩根部有0.2mm下陷不喷涂涂层，涂层在距零件另一端头10mm处终止，在爆炸喷涂过程中，需要对样件非喷涂区域进行保护，考虑到爆炸喷涂时的强大冲击力及喷涂火焰的瞬时高温，无法采用胶带、牛皮纸等常规隔离方式，根据零件外部特征设计制作了专用工装卡具。该卡具采用采用零件两端60°锥面定位，一次可装卡两件工件，既可承受高温高压，有效的保护非喷涂区域，又可显著提高喷涂效率及喷涂粉末的利用率。产品的开槽部分由于卡具的保护，没有喷涂涂层及碳化钨粉末的飞溅，为后续零件表面最终磨削工序提供了方便。

3.2.3磨削加工卡具的设计

为保证零件表面粗糙度达到图纸要求，在喷涂时单边预留0.05mm磨削余量。由于涂层较薄，如果磨削加工时零件装夹定位基准与爆炸喷涂时定位基准偏差较大，就会造成磨削后涂层产生一侧薄而另一侧较厚的现象，甚至造成零件局部涂层无法磨削的现象。为此，根据零件的特点设计加工了磨削专用卡具。卡具采用零件两端60°锥面定位，使磨削装夹定位基准与喷涂卡具径向跳动量小于0.01mm，以满足工件磨削加工的需要。

3.3涂层性能检测

经反复试验，最终确定了相关工艺参数，并喷涂试片进行涂层性能检测。

3.3.1金相组织

随机抽取一喷涂试样，将试样切开取纵截面。试样镶嵌后，分别经240#、400#、600#、800#耐水砂纸打磨，再经粗抛、精抛处理，用OLYMPUS GX71型数码金相显微镜（观察涂层组织界面图像。依据HB6738-93、HB7627-1998并与标准图片比较，上图涂层中氧化物少、孔洞小。涂层与基体界面上污染很少，涂层中未发现未熔颗粒，富钴相没有堆积。磨削加工后的零件表面涂层连续，粗糙度可达0.4μm，完全满足图纸要求。

3.3.2涂层硬度

涂层显微维氏硬度的测量使用MH-6维氏硬度仪，采用正四棱锥金刚石压头。

依据HB 5486-91，硬度试验载荷300g，载荷保持时间10s。压痕间距为压痕棱边10倍，测量10点求平均值。

3.3.3涂层结合力

拉伸实验参考HB 5476-91，采用静力拉伸法测试。拉伸件对偶件和对偶试样都经过丙酮清洗、棕刚玉喷砂、第二次丙酮清洗处理。随即无预热，在对偶试样的圆面上喷涂。在对偶件和对偶试样圆面上均匀涂覆E-7环氧树脂胶并对粘，确保二者同心度。放入加热炉中100℃保温3h，取出进行拉伸实验。

3.3.4涂层拉伸强度

涂层抗拉实验采用HB 5475-91的规定。方法：将涂层喷涂在直径32mm的45#钢式样外表面上，经磨削后将试样夹持在MTS试验机上，通过使用活动夹头确保试样与试验机同轴，拉伸速度2mm.min-1，直到将涂层拉断为止。

4.试验结论

经过反复试验，使用国产设备、选用国产粉末爆炸喷涂的碳化钨涂层，经过对涂层性能各项性能指标的检测结果分析，涂层的性能基本达到预期标准，可以满足产品使用要求，说明采用的涂层粉末、工艺方法、工艺参数能够有效的保证涂层的性能，成功地实现了爆炸喷涂83W-14Co-3C碳化钨涂层的国产化工作。经涂层各项性能指标检测，本项目获得的碳化钨涂层与美国联合碳化钨（Praxair）公司的爆炸喷涂涂层性能基本相当。

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