超音速火焰噴涂納米結(jié)構(gòu)WC—Co涂層研究進(jìn)展

劉曉麗 李明

摘 要：隨著航空制造技術(shù)的飛速發(fā)展，超音速火焰噴涂技術(shù)得到一定程度的引用，納米涂層材料與傳統(tǒng)涂層材料相比而言，其具有許多優(yōu)勢，它的強(qiáng)度、韌性都十分優(yōu)良，但是，WC-Co熱量一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)中，便使納米涂層功能受到一定的影響。因此，本文便對超音速火焰噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層結(jié)構(gòu)的特點、問題、現(xiàn)狀進(jìn)行了分析研究，從而使納米涂層結(jié)構(gòu)噴涂技術(shù)得到更大的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：超音速火焰 納米結(jié)構(gòu) WC-Co涂層

中圖分類號：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0104-02

超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳?xì)湎等細(xì)饣驓錃馀c高壓氧氣在燃燒室內(nèi)或在特殊的噴嘴中燃燒產(chǎn)生的高溫、高速燃燒焰流，燃燒焰流速度可達(dá)5馬赫（1500m/s）以上。目前，通常被稱作HVOF（High-velocity oxygen-fuel）。將粉末軸向送進(jìn)該火焰，可以將噴涂粒子加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并加速到高達(dá)300～500m/s甚至更高的速度，從而獲得結(jié)合強(qiáng)度高、致密的高質(zhì)量的涂層。超音速火焰速度很高，但溫度相對較低，約為3000℃，對于WC-Co系硬質(zhì)合金，可以有效地抑制WC在噴涂過程中的分解，涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高而且致密、耐磨損性能優(yōu)越，其耐磨損性能大幅度超過等離子噴涂層，與爆炸噴涂層相當(dāng)，也超過了電鍍硬鉻層、噴熔層，應(yīng)用極其廣泛。

1 超音速火焰噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層結(jié)構(gòu)的特點

在超音速火焰對飛機(jī)噴涂的過程中，王海濱指出涂層便發(fā)生一定程度的分解，不同材料分解的粉末數(shù)量是不同的，傳統(tǒng)材料噴涂出金屬物性質(zhì)，而納米涂層材料卻噴涂顆粒性的物質(zhì)[1]。WC-Co的分解率比較小，在涂層噴涂過程中，便會產(chǎn)生許多非品態(tài)形的物質(zhì)，此外，在粉末不斷分解的過程中，同樣會產(chǎn)生許多物質(zhì)，納米涂層具有緊固的特點，然而在其對飛機(jī)進(jìn)行噴涂的時候，會產(chǎn)生相應(yīng)的問題。納米結(jié)構(gòu)在快速冷卻的環(huán)境下，會形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)涂層，在此基礎(chǔ)上，納米結(jié)構(gòu)涂層便具有強(qiáng)大的結(jié)合性，從而使納米涂層材料得到相應(yīng)的發(fā)展。針對超音速火焰噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層結(jié)構(gòu)的特點，人類應(yīng)不斷探索相關(guān)的措施，從而使火焰噴涂飛機(jī)的技術(shù)朝著積極的態(tài)勢發(fā)展[2]。

2 納米涂層結(jié)構(gòu)材料存在的問題

2.1 碳化物氧化脫碳

陳小明研究發(fā)現(xiàn)在同一實驗背景下，普通納米結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)材料相比較，納米材料比傳統(tǒng)材料的涂層更加堅固，但在一定情況下，納米涂層會發(fā)生碳化物氧化脫碳的問題[3]。此種涂層的耐磨性較差，在超重負(fù)載的情況下，如在陶瓷球?qū){米材料影響的情況下，納米粒子便會被逐漸吸引而脫落，因此，納米結(jié)構(gòu)涂層的耐磨性是不容考量的。在高速火焰對飛機(jī)進(jìn)行噴涂的條件下，程振雄深入比較普通涂層與納米涂層的區(qū)別，實驗結(jié)果顯示，在一定的磨力條件下，納米WC—Co涂層受到的磨損率較大，比傳統(tǒng)涂層的磨損率高1.4～3.1倍，此涂層磨損力較差的原因為：在噴涂的過程中，WC會產(chǎn)生一些脆弱性的物質(zhì)，使納米涂層的質(zhì)量減少，進(jìn)而其耐磨程度降低，產(chǎn)生碳化物氧化脫碳的問題[4]。

2.2 納米晶體變大

在一定的技術(shù)方法下，納米結(jié)構(gòu)在噴涂的過程中，耐磨性有一定程度的降低，此外，納米晶體在燃燒的過程中，會產(chǎn)生晶體變大的現(xiàn)象。在人類研究納米涂層的過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)超音速火焰對飛機(jī)進(jìn)行噴涂時，噴涂溫度為3000℃，而納米晶體在此過程中，會產(chǎn)生晶體變大的現(xiàn)象。在不斷的噴涂中，納米晶體雖然處于納米量度參數(shù)范圍內(nèi)，涂層的實用功能性卻依然存在，但在此種情況下，查柏林認(rèn)為應(yīng)該使火焰溫度得到一定程度的減弱，從而使納米晶體的受熱性變低[5]。研究顯示，在對晶體加熱的過程中，即使是較短的加熱過程中都能使晶體顆粒長大的速度變慢。為了減少晶體變大現(xiàn)象的發(fā)生，人們應(yīng)掌控噴涂過程中的工藝數(shù)據(jù)并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝參數(shù)，使晶體長大的速度得到相應(yīng)的控制。此外，在噴涂的過程中，周伍喜認(rèn)為可以加入一定程度的抑制性物質(zhì)，抑制劑不僅能使顆粒保持原始的狀態(tài)，還能使氧化脫碳發(fā)生的頻率得到降低，在抑制劑的作用下，便提高了涂層的耐磨度[6]。

2.3 納米粉末沉積

在火焰噴涂的過程中，會產(chǎn)生極小的納米粉末顆粒，此種顆粒較小，便容易聚集在一起，因此，顆粒便不能進(jìn)行一定程度的流動。此外，國洪建提出在火焰噴涂的過程中，粉末需要處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)中，在適當(dāng)?shù)姆勰┝鲃訝顟B(tài)下，火焰噴涂納米涂層技術(shù)才能不斷提高[7]?，F(xiàn)今，人們已想出一定的方法解決這一問題，在燃燒過程中，加入一定數(shù)量的粘結(jié)劑，便能減少粉末聚集的現(xiàn)象，此外，在粉末中加入一定數(shù)量的大顆粒物質(zhì)，粉末發(fā)生聚集的頻率將會降低。因此，在超音速火焰對飛機(jī)噴涂的過程中，查柏林指出其噴灑速度非?？欤菀仔纬奢^大的火焰噴涂沖擊力，便會影響涂層的效能[8]。

3 超音速火焰噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co在飛機(jī)制造中的現(xiàn)狀研究

3.1 提高制備工藝

超音速火焰噴涂技術(shù)是一種熱噴涂技術(shù)，也是一種新型的噴涂工藝，在燃燒的過程中，在燃燒溫度較低的情況下，會發(fā)生粉末增多的現(xiàn)象。因此，丁坤英提出要使WC的分解速率得到一定程度的降低，便需要較高的涂層技術(shù)，涂層具有較高的結(jié)合度，能使粉末中的顆粒得到一定程度的保留，在此種情況下，此種技術(shù)便被廣泛地應(yīng)用[9]。納米涂層與傳統(tǒng)的涂層結(jié)構(gòu)相比而言，雒曉濤認(rèn)為納米涂層的硬度得到一定程度的提高，提高率高達(dá)50%以上，磨損性能也得到了相應(yīng)的改善。在大量的實驗過程中，人類發(fā)現(xiàn)納米涂層的顆粒雖然在燃燒過程中產(chǎn)生了一定程度的氧化，但在相應(yīng)條件下，依然比普通涂層的影響作用大[10]。

在超音速火焰對飛機(jī)進(jìn)行噴涂期間，會產(chǎn)生許多問題，在其燃燒過程中，會出現(xiàn)粉末顆粒變大、產(chǎn)生碳氧化物的問題，為了減少此種情況的發(fā)生，人們便運(yùn)用冷噴涂技術(shù)對其進(jìn)行一定程度的調(diào)整，在此過程中，便會產(chǎn)生較少的WC分解現(xiàn)象。丁彰雄在研究中提出，在合適的溫度下對粉末進(jìn)行相應(yīng)程度的噴涂，能使納米結(jié)構(gòu)的燃燒效果更佳，冷噴涂技術(shù)是一種新型的技術(shù)，此技術(shù)在溫度較低的情況下，便能使晶體變大的頻率得到一定程度的降低，由此，便會出現(xiàn)較少的氧化現(xiàn)象[11]。在冷噴技術(shù)的不斷應(yīng)用下，張祥林認(rèn)為納米涂層技術(shù)能得到相應(yīng)的發(fā)展，此外，冷噴技術(shù)依然存在一定程度的問題，如噴涂的顆粒不能進(jìn)行一定的融化，涂層間空隙率較大，在此種情況下，人們便需要研究一種全新的火焰噴涂技術(shù)，使超音速火焰噴涂技術(shù)得到一定程度的提高，在今后的噴涂過程中，使晶體變大的頻率得到一定的降低[12]。在制備工藝不斷提高的情況下，超音速火焰噴涂納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層研究進(jìn)展將會得到一定程度的提高。

3.2 優(yōu)化超音速火焰噴涂工藝

趙輝提出顆粒間的碰撞形態(tài)決定了晶體之間的相互作用性能，顆粒的運(yùn)行速度與火焰的燃燒速度有一定程度的聯(lián)系，在一定條件下，顆粒的變化形態(tài)與火焰的流向程度也有一定的聯(lián)系，在一定的噴涂技術(shù)下，顆粒的運(yùn)行時間會發(fā)生一定程度的變化，火焰的溫度、飛行速率與顆粒的運(yùn)行速度有相應(yīng)程度的聯(lián)系。在此種相互影響下，顆粒便會發(fā)生相應(yīng)的變化[13]。茍國慶在研究中表明，在超音速火焰噴涂飛機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，人們對噴涂的參數(shù)進(jìn)行了不斷的研究，在噴涂參數(shù)的影響下，燃燒顆粒的運(yùn)行速度會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而涂層結(jié)構(gòu)便會發(fā)生一定程度的改變[14]。

在傳統(tǒng)的噴涂過程中，噴涂中會產(chǎn)生較高的熱量，從而納米涂層結(jié)構(gòu)的綜合性能便會發(fā)生一定程度的變化，為使顆粒速率減少的情況，超音速火焰噴涂技術(shù)便得到相應(yīng)的發(fā)展。對于同一種顆粒而言，不同的涂層噴涂技術(shù)能使納米涂層產(chǎn)生不同程度的變化，超音速火焰的涂層性能會隨著具體條件發(fā)生一定程度的變化，火焰的流量能影響火焰的溫度，從而使火焰溫度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。伴隨著熱噴涂技術(shù)的不斷提高，王群指出，顆粒的燃燒速度會從變大的趨勢向變小的趨勢逐漸轉(zhuǎn)變，起初，在火焰加速運(yùn)行的過程中，涂層的氣流流量會發(fā)生一定程度的變化，火焰氣流的涂層質(zhì)量與火焰運(yùn)行速度有較大的聯(lián)系，在噴涂工藝不斷優(yōu)化的情況下，我國超音速火焰噴涂納米機(jī)構(gòu)涂層的技術(shù)便會得到一定程度的提高[15]。因此，飛機(jī)在被超音速火焰噴涂后，其涂層的耐磨綜合性能便會提升。

4 結(jié)語

總而言之，與普通涂層技術(shù)相比而言，超音速納米涂層具有一定程度的優(yōu)勢，納米涂層的綜合性能比較優(yōu)良?，F(xiàn)今，超音速火焰噴涂技術(shù)能使WC-Co涂層得到相應(yīng)的發(fā)展，在人們不斷研究的基礎(chǔ)上，超音速火焰技術(shù)的應(yīng)用會有更大程度的突破。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的情況下 ，該項技術(shù)將會在未來的航空制造產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用，使國防力量得到一定程度的提升，實現(xiàn)強(qiáng)軍富民。

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