石琦++江濤++周勇

摘 要：熱噴涂技術(shù)由于具有極大的優(yōu)勢(shì)而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。其中利用熱噴涂技術(shù)制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層是熱噴涂技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用。碳化鎢涂層具有極高的表面硬度和良好的耐磨損性能并且具有耐腐蝕抗氧化性能等性能而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。該文主要介紹采用熱噴涂技術(shù)制備碳化鎢涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。主要介紹超音速火焰噴涂技術(shù)，等離子噴涂技術(shù)，電弧噴涂技術(shù)和火焰噴涂技術(shù)制備碳化鎢涂層的研究現(xiàn)狀和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：熱噴涂技術(shù) 碳化鎢涂層 超音速火焰噴涂 等離子噴涂 電弧噴涂

中圖分類號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（a）-0014-03

目前熱噴涂技術(shù)在工程領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。采用熱噴涂技術(shù)可以制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層。WC硬質(zhì)顆粒具有極高的硬度、強(qiáng)度、彈性模量和化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)抵抗外界摩擦、磨損和腐蝕具有重要作用[1-4]。碳化鎢涂層具有極高的表面硬度和良好的耐磨損性能并且具有較高的抗腐蝕性能和抗氧化性能等而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中[1-4]。熱噴涂碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金作為耐磨損涂層，由于其良好的硬度和韌性廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域[1-4]。熱噴涂碳化鎢陶瓷涂層在耐磨損性能，耐腐蝕蝕性，耐疲勞性能等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹采用熱噴涂技術(shù)制備碳化鎢涂層的制備工藝和研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。本文主要介紹超音速火焰噴涂技術(shù)，等離子噴涂技術(shù)，電弧噴涂技術(shù)和火焰噴涂技術(shù)制備碳化鎢涂層的研究現(xiàn)狀和發(fā)展。并介紹各種熱噴涂工藝制備的碳化鎢涂層的性能與研究發(fā)展現(xiàn)狀。

1 超音速火焰噴涂技術(shù)制備碳化鎢涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

超音速火焰噴涂碳化鎢涂層可以替代電鍍硬鉻層。超音速火焰噴涂由于可以快速地沉積硬度較高的耐磨損耐腐蝕涂層，從而被認(rèn)為是最有可能替代電鍍硬鉻的工藝[1-4]。目前國外主要評(píng)價(jià)了氧氣助燃超音速火焰（HVOF）噴涂制備WC涂層替代電鍍硬鉻的綜合性，包括涂層對(duì)基體疲勞性能的影響、涂層的摩擦磨損和韌性等[1-4]。采用超音速火焰噴涂（HVOF）可以制備WC-CoCr涂層替代硬鉻鍍層?？諝庵汲羲倩鹧鎳娡浚℉VAF）具有火焰溫度更低，粒子速度更高的特點(diǎn)[1-4]，超音速火焰噴涂WC涂層可以提高起落架超高強(qiáng)鋼的疲勞性能。WC-Co是常用的WC系涂層材料具有良好的韌性但抗鹽霧腐蝕性能較差；WC-CoCr是在WC-Co上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是具有良好的抗腐蝕性能，具有抗疲勞和耐摩擦磨損性能。超音速火焰噴涂WC涂層具有較高的抗熱疲勞性能。采用HVOF技術(shù)噴涂WC涂層，并對(duì)涂層的抗熱疲勞行為進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明HVOF涂層經(jīng)過熱震試驗(yàn)后涂層均保持完好無損未出現(xiàn)裂紋及剝落等任何缺陷。這充分說明了HVOF涂層具有非常高的抗熱疲勞性能[5-8]。超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)是熱噴涂領(lǐng)域的進(jìn)步，HVOF可以大幅度提高熱噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度。因此HVOF技術(shù)對(duì)提高涂層的抗熱疲勞性能有很大貢獻(xiàn)。因此采用HVOF技術(shù)制備WC涂層并對(duì)涂層的抗熱疲勞性能進(jìn)行檢測(cè)[5-8]。超音速火焰噴涂制備的碳化鎢涂層具有良好的抗高溫氧化和耐沖蝕性能。采用超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)噴涂WC涂層，并對(duì)其抗高溫氧化性能和耐沖蝕性能進(jìn)行測(cè)定。HVOF制備的WC-17Co、WC-12Co、NiCrBSi+35WC涂層具有非常良好的抗高溫氧化性能和耐沖蝕性能。其中WC-17Co涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖蝕能力。利用超音速火焰噴涂技術(shù)（HVAF）可以制備WC-10%Co4%Cr涂層并研究其性能。利用空氣助燃超音速火焰噴涂（HVAF）制備WC-10%Co4%Cr涂層，研究噴涂粉末粒徑、WC顆粒大小等對(duì)涂層的噴涂沉積率、硬度、韌性、結(jié)合強(qiáng)度和耐腐蝕等綜合性能的影響[5-8]。

超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)制備的WC涂層具有優(yōu)秀的耐磨損性能。采用超音速火焰噴涂技術(shù)在鋼基體上制備WC-Co涂層，對(duì)所獲涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析，并通過磨粒磨損試驗(yàn)研究了WC涂層的耐磨損性能。試驗(yàn)結(jié)果表明所獲WC-Co涂層與基體金屬結(jié)合良好并且涂層較為致密，其顯微硬度在HV1000以上；WC-Co涂層的耐磨損性能非常優(yōu)異，所獲WC-Co涂層顯示了更加穩(wěn)定的耐磨損性能。超音速火焰噴涂涂層具有優(yōu)良的耐磨損性能。采用超音速火焰噴涂方法在鋼基體上制備了NiCr，316L，10Co4Cr/WC，12Co/WC等4種涂層，對(duì)涂層組織進(jìn)行了金相觀察，測(cè)試了涂層的硬度及耐磨損性能。超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr涂層對(duì)30CrMnSiA鋼防護(hù)性能的影響。為增強(qiáng)30CrMnSiA鋼的耐磨損與防腐蝕性能，采用超音速火焰噴涂制備WC-10Co4Cr防護(hù)涂層，并與傳統(tǒng)硬鉻鍍層進(jìn)行性能對(duì)比[5-10]。顯微硬度與摩擦磨損測(cè)試表明WC-10Co4Cr涂層的硬度較硬鉻鍍層的硬度得到顯著提高，WC-10Co4Cr涂層的耐磨損性能得到顯著提高；耐腐蝕實(shí)驗(yàn)表明WC-10Co4Cr具有較高的耐腐蝕性能，具有良好的長(zhǎng)期防護(hù)效果。

超音速火焰噴涂（HVOF）制備的微納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層具有優(yōu)良的抗空蝕性能。采用HVOF工藝制備了二種微納米結(jié)構(gòu)及一種普通微米WC-12Co金屬陶瓷復(fù)合涂層。HVOF技術(shù)制備的WC涂層具有良好的耐磨損性能。采用超音速火焰噴涂技術(shù)在鋼基體上制備WC-Co涂層并對(duì)所獲涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析，并通過磨粒磨損試驗(yàn)研究了WC涂層的耐磨損性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：所獲WC-Co涂層與基體金屬結(jié)合良好涂層較為致密其顯微硬度較高；WC-Co涂層的耐磨損性能非常優(yōu)異，所獲WC-Co涂層顯示了更加穩(wěn)定的耐磨損性能。HVOF噴涂納米WC-17Co涂層組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為。利用超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)制備普通和超細(xì)納米WC-17Co涂層。研究了噴涂粉末，涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)和物相成分，測(cè)試了涂層的顯微硬度，彈性模量，斷裂韌性。納米涂層的顯微硬度，彈性模量，斷裂韌性最高。超音速火焰噴涂WC-Co層的高溫氧化對(duì)摩擦磨損性能的影響。針對(duì)WC-12Co和WC-17Co超音速火焰噴涂層（HVOF），研究其在大氣環(huán)境下從室溫至800℃的摩擦磨損性能，并結(jié)合涂層的氧化試驗(yàn)，氧化產(chǎn)物的物相組成分析磨痕表面形貌觀測(cè)，探索高溫氧化對(duì)涂層摩擦磨損機(jī)制的影響[5-13]。噴涂工藝參數(shù)對(duì)納米NiCr/WC涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度的影響。以納米NiCr/WC粉末為原料，采用活性燃燒超音速火焰噴涂技術(shù)制備了NiCr/WC金屬陶瓷涂層。研究了工藝參數(shù)對(duì)納米NiCr/WC涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度的影響。采用超音速火焰噴涂（HVOF）工藝在鋼基體上制備了WC-10Ni涂層和WC-12Co涂層，研究了鎳，鈷這兩種粘結(jié)劑對(duì)WC涂層的顯微硬度，摩擦系數(shù)和抗磨粒磨損性能的影響，探討了WC涂層的磨粒磨損機(jī)理。結(jié)果表明以HVOF方法制備的WC涂層均有較高的顯微硬度，涂層在低載荷下均有較好的抗磨粒磨損性能，但在較高載荷下WC-12Co涂層的抗磨損性明顯優(yōu)于WC-10Ni涂層。涂層的磨粒磨損形式主要為均勻磨耗磨損，磨損機(jī)理以微切削和微剝落為主。WC-12Co涂層的磨損表面損傷較輕微綜合性能優(yōu)于WC-10Ni涂層[5-13]。endprint

2 空氣助燃超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

超音速火焰噴涂包括超音速氧氣火焰噴涂（HVOF）和超音速空氣火焰噴涂（HVAF）兩種工藝。近年來又出現(xiàn)了采用空氣作為助燃劑的超音速火焰噴涂技術(shù)，即HVAF該工藝火焰溫度低于2000℃，遠(yuǎn)低于一般超音速火焰噴涂。超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)是熱噴涂領(lǐng)域的進(jìn)步，與等離子噴涂技術(shù)相比，HVOF可以大幅度提高熱噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并且同時(shí)減小甚至消除了涂層中的氧化物含量。采用空氣助燃超音速火焰噴涂（HVAF）技術(shù)制備WC涂層，對(duì)該涂層的耐磨損性能，耐腐蝕性能，韌性，涂層結(jié)合強(qiáng)度等性能進(jìn)行了研究，并與電鍍硬鉻層進(jìn)行了性能與實(shí)際使用壽命對(duì)比。結(jié)果表明：采用HVAF制備的WC涂層的耐磨性是電鍍硬鉻層的10倍，涂層的耐腐蝕性和韌性明顯優(yōu)于電鍍硬鉻層。超音速火焰噴涂（HVAF）制備Ni-WC合金涂層組織與顯微硬度分析。采用HVAF噴涂制備WC-12Co涂層，并研究WC涂層的空蝕、磨損及磨蝕性能研究。采用WC-12Co粉末通過活性燃燒高速燃?xì)鈬娡浚ˋC-HVAF）技術(shù)制備WC-12Co耐磨損涂層，并對(duì)涂層的磨損性能及機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。研究表明噴涂粉末性能對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度、孔隙率及磨損性能有重要的影響。

3 電弧噴涂技術(shù)制備碳化鎢涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

電弧噴涂制備FeCrAl/WC涂層的組織和高溫沖蝕行為。采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術(shù)制備高溫氧化環(huán)境下抗沖蝕磨損FeCrAl/WC涂層。對(duì)FeCrAl/WC涂層的組織、成分和涂層表面沖蝕磨損形貌進(jìn)行了分析。采用高溫沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)FeCrAl/WC涂層在不同溫度、攻角下的沖蝕磨損性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，高速電弧噴涂FeCrAl/WC涂層具有顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的層狀組織特征。FeCrAl/WC涂層均呈現(xiàn)韌性沖蝕行為沖蝕磨損抗力，探討了FeCrAl/WC涂層高溫沖蝕磨損機(jī)理。高速電弧噴涂FeMnCrAl/Ni包覆WC涂層組織與性能。采用預(yù)處理常溫超聲波化學(xué)鍍方法制備Ni包覆WC復(fù)合粉體，以其作為增強(qiáng)相的粉芯絲材通過高速電弧噴涂技術(shù)制備FeMnCrAl/Ni包覆WC涂層。研究Ni包覆WC復(fù)合粉體對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明Ni包覆WC復(fù)合粉體能改善涂層中各相之間的結(jié)合狀態(tài)，減少涂層中氧化物和孔隙率，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度，改善了涂層抗沖蝕磨損性能[14]。WC陶瓷相因具有硬度高、耐磨性好、紅硬性較好等特點(diǎn)，被用作熱噴涂層的增強(qiáng)相材料，如采用高速電弧噴涂制備FeCrAl/WC和Fe-FeB-WC涂層。因此采用預(yù)處理技術(shù)對(duì)陶瓷粉體進(jìn)行化學(xué)鍍前處理，然后通過超聲低溫化學(xué)鍍的方法制備金屬Ni包覆WC復(fù)合粉體作為電弧噴涂層的增強(qiáng)相，以達(dá)到提高陶瓷粉體相與金屬基涂層之間的浸潤性和降低陶瓷相的氧化脫碳等現(xiàn)象的目的。通過高速電弧噴涂技術(shù)制備FeMnCrAl/Ni包覆WC涂層試樣，然后對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)聚強(qiáng)度和抗沖蝕磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)沖蝕機(jī)理進(jìn)行分析，得出Ni包覆WC復(fù)合粉體對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)及性能影響的規(guī)律。利用高速電弧噴涂技術(shù)將FeCrAl/WC粉芯絲材制備出FeCrAl/WC復(fù)合涂層。通過對(duì)涂層的顯微組織和力學(xué)性能的研究，得出FeCrAl/WC復(fù)合涂層的組織呈現(xiàn)出典型的層狀結(jié)構(gòu)特征；涂層綜合力學(xué)性能優(yōu)異具有較高結(jié)合強(qiáng)度高致密度較佳的耐熱震性能等特點(diǎn)。

4 等離子噴涂制備碳化鎢涂層的研究與發(fā)展

等離子噴涂WC涂層具有優(yōu)良的摩擦磨損特性。采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究等離子噴涂WC涂層與GCr15鋼配副的摩擦磨損特性。結(jié)果表明WC涂層的耐磨性能比基體材料得到顯著提高。因此WC涂層可顯著提高鋼鐵制動(dòng)摩擦副的使用性能和使用壽命。等離子噴涂WC顆粒增強(qiáng)Ni基涂層組織及抗沖蝕性能。采用等離子噴涂工藝制備WC顆粒增強(qiáng)Ni基涂層分析了涂層的顯微組織，并對(duì)其抗沖蝕磨損性能進(jìn)行了測(cè)試[15-16]。超音速等離子噴涂具有噴涂效率高，涂層與基體結(jié)合致密等特點(diǎn)，并且超音速等離子噴涂可以制備碳化鎢耐磨損涂層。所以超音速等離子噴涂在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[15-16]。采用超音速等離子噴涂技術(shù)制備WC-12Co涂層，使用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層的組織結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)超音速等離子噴涂12Co-WC涂層組織致密，WC涂層結(jié)合強(qiáng)度高，涂層具有良好的摩擦磨損性能。

5 火焰噴涂制備碳化鎢涂層的研究進(jìn)展

利用火焰噴涂技術(shù)制備Ni60和Ni60-WC涂層并研究火焰噴涂制備的Ni60和Ni60-WC涂層的組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明Ni60涂層和Ni60-WC涂層均呈冶金結(jié)合特征，與基體結(jié)合較好。Ni60-WC涂層中有尺寸較大的因未能完全熔解而以塊狀顆粒存在的WC顆粒。重熔技術(shù)包括噴涂和重熔兩個(gè)過程，這兩個(gè)過程可以先后進(jìn)行也可以同時(shí)進(jìn)行[17，18]。在噴涂過程中，粉末通過熱源的加熱，一般以半熔化狀態(tài)沉積到工件上。重熔是粉末或噴涂層在工件上的熔融過程。涂層重熔技術(shù)消除了噴涂層中的氣孔和氧化物夾渣，并與金屬基體產(chǎn)生冶金結(jié)合，從而大幅度提高致密性和結(jié)合強(qiáng)度，使涂層有更優(yōu)的耐腐蝕、耐磨損和抗沖擊性能。Ni-WC合金是一類應(yīng)用廣泛的具有優(yōu)良耐磨抗蝕性能的涂層材料，重熔時(shí)合金具有良好的流動(dòng)性和自脫氧造渣性能從而能夠獲得結(jié)晶致密與基體結(jié)合良好的高強(qiáng)度涂層。另外WC在涂層中形成彌散分布的高硬度物相，使涂層具有良好的耐磨性能。在噴涂材料Fe/WC中添加少量的納米Ni、納米CeO2以及不同含量的納米WC，采用亞音速火焰噴涂方法在Q235鋼上制備涂層，通過對(duì)涂層組織及性能的檢測(cè)，探討納米WC對(duì)涂層顯微組織、顯微硬度以及耐磨性的影響。結(jié)果表明添加適量的納米WC可以改善涂層組織提高涂層的顯微硬度及其耐磨性[17-18]。

6 碳化鎢涂層的摩擦磨損行為研究進(jìn)展

碳化鎢涂層是一種減少工件磨損的有效保護(hù)涂層。常用堆焊、粉末冶金、激光熔覆、熱噴涂等方法制備WC硬質(zhì)粗顆粒型復(fù)合涂層這也是目前最耐磨的材料之一。超音速火焰噴涂可以制備WC-12Co涂層，超音速火焰噴涂可以制備WC-17Co涂層，低壓等離子噴涂可以制備WC-12Co涂層，低壓等離子噴涂可以制備WC-17Co涂層和等離子噴涂可以制備WC-12Co涂層。通過熔覆工藝在不銹鋼基體表面制備Ni基WC耐磨涂層。對(duì)涂層中的金屬陶瓷相進(jìn)行成分與分布的表征，并考察相分布對(duì)涂層硬度和耐磨性能的影響。通過球盤摩擦實(shí)驗(yàn)對(duì)耐磨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。已出現(xiàn)火焰噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂、激光噴涂以及電弧噴涂等多種表面涂層保護(hù)技術(shù)。與其它熱噴涂技術(shù)相比，高速電弧噴涂技術(shù)具有涂層性能優(yōu)良、便捷高效、經(jīng)濟(jì)節(jié)能安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。Fe-Mn-Cr系合金具有成本較低耐磨耐腐蝕性良好。FeMnCrAl/Cr3C2高錳奧氏體合金涂層具有良好的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能。WC陶瓷相因具有硬度高、耐磨性好、紅硬性較好等特點(diǎn)，因此被廣泛用作熱噴涂層的增強(qiáng)相材料，如采用等離子噴涂和爆炸噴涂制備Co-WC、Ni-WC金屬陶瓷涂層。采用高速電弧噴涂制備Fe-Al/WC和FeCrAl/WC涂層時(shí)，發(fā)現(xiàn)添加WC陶瓷相后，涂層的顯微硬度和耐磨性明顯得到改善。通過高速電弧噴涂技術(shù)制備FeMnCrAl/WC涂層試樣，然后對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究并對(duì)熱震失效機(jī)理進(jìn)行分析。endprint

7 結(jié)語

熱噴涂技術(shù)由于具有極大的優(yōu)勢(shì)而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。其中利用熱噴涂技術(shù)制備碳化物硬質(zhì)合金涂層是熱噴涂技術(shù)的的一個(gè)主要應(yīng)用。碳化物涂層具有極高的表面硬度和良好的耐磨損性能具有腐蝕抗氧化性能等性能而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。本文主要介紹采用熱噴涂技術(shù)制備碳化物涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。主要介紹超音速火焰噴涂技術(shù)，等離子噴涂技術(shù)，電弧噴涂技術(shù)和火焰噴涂技術(shù)制備碳化物涂層的研究現(xiàn)狀和發(fā)展。

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