CN101003092A - 一种高钴含量钴－碳化钨热喷涂粉末及其制备技术 - Google Patents

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于月光
曾克里
周传让
林锋
陈舒予
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Abstract

本发明针对一种高钴含量钴－碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，将金属钴粉末和碳化钨粉末按照一定比例进行混合，通过团聚制粒方法进行造粒；造粒后粉末进行烧结，烧结温度：800～1400℃，烧结保温时间2～24小时，将烧结后的粉末进行破碎、筛分后，得到非球形或类球形粉末；通过高温热源将烧结后的粉末进行致密化处理；最终得到高钴含量钴－碳化钨热喷涂粉末包括球形、类球形或非球形颗粒。本发明其良好的硬度和韧性的结合，可广泛地应用于航空航天、汽车、运输、冶金、电力等领域，以加强基体金属的耐磨性能及磨损疲劳部件的修复。

Description

一种高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术
技术领域
本发明的一种高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术所涉及的技术领域为：热喷涂技术领域、热喷涂材料领域、粉末冶金材料领域、粉末冶金技术领域、硬质合金材料领域等
背景技术
钴-碳化钨合金热喷涂涂层，由于其良好的硬度和韧性的结合，广泛地应用于航空、航天、汽车、运输、冶金、电力等领域，以加强基体金属的耐磨性能及磨损疲劳部件的修复。钴—碳化钨是540℃以下硬度最高的耐磨涂层，具有良好的抗冲击性、韧性和与基体的结合性，致密度很高，已于航空发动机上作为风扇叶片阻尼凸台、压气机叶片阻尼凸台、带冠叶片叶冠阻尼面和涡轮叶片叶冠阻尼面得到成功应用。
在AЛ-31Φ发动机大修及易损件的修复项目中，调节耐磨凸台在镍基合金零部件表面制备高硬度、高耐磨性的涂层选择了用高钴含量(＞＝21wt.％)钴—碳化钨合金热喷涂粉末材料以及热喷涂技术。属于此类零件的还有压气机和进气整流器叶片、涡轮工作叶片等。
钴-碳化钨合金热喷涂粉末，制备工艺较为复杂，曾先后出现过不少制备方法，如熔融—破碎法、烧结—破碎法、喷雾干燥制粒—半烧结法等。除了制备工艺不同之外，还存在金属含量不同、原始碳化钨晶粒的差别、以及粉末粒度分布的范围、宽窄、松装密度、粉末流动性等不同性能指标的粉末以满足不同喷涂设备及应用范围的需求。
高钴含量(＞＝21wt.％)的钴-碳化钨合金粉末是一种新型的用于热喷涂制备高钴—碳化钨喷涂粉末材料，其制备方法国内外研究尚不成熟。
爆炸喷涂作为一种重要的热喷涂方法具有较低的、较稳定的气体温度和较高的气流速度等特点，特别适合于钴—碳化钨合金粉末的喷涂。爆炸喷涂经历爆炸和脉冲循环两个过程。在每个工作循环内工件上都形成厚5-10μm的涂层。喷涂脉冲循环能够保证基底材料受热温度极小(150℃-200℃)。此外，爆炸喷涂时所进行的所有过程持续时间很短。这样气体而对粉末的动力和热作用持续时间不超过3×10-3秒。而在涂层形成瞬间粉末微粒冲击变形的时间不超过10-7秒。所有这些有利于保持被喷涂材料的物理机械性能。而爆炸喷涂所适用的粉末类型与其他热喷涂不完全相同。爆炸喷涂要求其粉末有一定的结构强度，能经受气体爆炸波冲击而不碎化。但是，当加热到一定温度时，由高熔点碳化钨和熔化状态的钴基液相组成的颗粒需要能够产生充分的塑性变形，在撞击基材时，由30～50μm的颗粒形成5～10μm的薄片沉积在基材上形成涂层。因此，用于爆炸喷涂的高钴—碳化钨粉末需要满足具有一定的结构强度，能经受的气体爆炸波冲击而不碎化；同时易于加热在撞击基体的过程中能够充分变形，与基体结合良好两方面的要求。
熔融—破碎法制备的钴—碳化钨粉末是美国联合碳化物公司早期公开并推出的爆炸喷涂粉末，牌号为LW-11和LW-11B。与此相同的，普拉特·惠特尼航空发动机公司生产制备的钴—碳化钨粉末为PWA-1302A和PWA-1301C。这种粉末主要物相为WC和高温缺碳相Co3W3C，粉末中缺少韧性的金属相。而通过硬质合金烧结—破碎方法得到的粉末具有硬质合金相同的金相组织、物相结构和化学组成，例如STILLIT-52F，其相应的粉末涂层较好地接近于硬质合金性能。但其制备工艺复杂，其成品率约30～50％。目前占市场主导地位的喷雾干燥造粒—半烧结法粉末，因其粉末结构强度较低，在爆炸喷涂过程中不能经受爆炸波的冲击容易碎裂，形成微米级的细粉，在枪管内壁形成结疤、在出口处被氧化，不适宜作为爆炸喷涂用粉末材料使用。采用本发明中提到的制备技术将使这些问题得到很好的解决，制备的高钴含量(＞＝21wt.％)的钴-碳化钨合金粉末具有极好的爆炸喷涂性能，适合制备高钴含量(＞＝21wt.％)的钴-碳化钨合金涂层。
发明内容
本发明目的是针对热喷涂用的高钴含量钴-碳化钨粉末需要满足具有一定的结构强度，同时易于加热融化后撞击基体的过程中能够充分变形的两个相互矛盾制约的特点。采用一种高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术制备达到适合热喷涂特点的粉末材料，最终得到高钴-碳化钨涂层。该种粉末通过团聚造粒—烧结粉末提高粉末在融化撞击过程中充分变形的作用，同时通过团聚造粒—烧结—高温热源致密化处理后的粉末提高粉末结构强度的整体水平。
本发明的具体内容：
1.本发明采用将金属钴粉末和碳化钨粉末按照一定比例进行混合，通过团聚制粒方法进行造粒。造粒后粉末进行烧结，烧结温度：800～1400℃，烧结保温时间2～24小时，将烧结后的粉末进行破碎、筛分后，得到非球形或类球形粉末。通过高温热源将烧结后的粉末进行致密化处理。最终得到高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末包括球形、类球形或非球形颗粒。金属钴粉末和碳化钨粉末的混合比例分别是1-99wt％和99-1wt％；尤其分别是21-70wt％和79-30wt％。
2、由1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，碳化钨粉末可以是WC、W2C或者是两者的混合粉末，钴粉末含量为大于等于21wt.％。
3、由1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，团聚制粒工艺可以采用搅拌制粒或喷雾干燥。
4、由1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，造粒后粉末的烧结过程可以通过控制温度促进造粒粉末颗粒间的充分润湿实现颗粒的烧结。
5、由1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，进行高温致密化处理的热源可以是等离子体、火焰、激光、微波。
6、由1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，最终的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末可以含有球形颗粒也可以是球形、类球形或非球形颗粒的混合物。
采用本发明制备的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末成功用于爆炸喷涂制备高钴含量碳化钨耐磨涂层。
附图说明
图1是本发明高钴含量钴-碳化钨合金粉末制备工艺流程图
图2是本发明高温烧结处理粉末形貌图
图3是本发明高温热源致密化处理粉末形貌图
图4是本发明高钴含量钴-碳化钨合金粉末形貌图
图5是本发明高钴含量钴-碳化钨合金涂层结构图
具体实施方式
1混料过程
将金属钴粉(≤3um)与碳化钨粉末(≤4um)在物料盘内初步混合后进行球磨混合，球磨时间为8～24小时。图2中样品
2制粒过程
将混合均匀的粉末每10kg混合粉末均匀加入200～2000ml的粘结剂(聚乙烯醇、聚乙烯吡洛烤烷酮等)搅拌5～30分钟。通过机械搅拌制粒方法或喷雾干燥制粒方法对粉末进行造粒。
3高温烧结过程
将粉末装入石墨坩锅内，坩锅外铺一层活性碳粉末形成稳定碳势。烧结温度：800～1400℃，烧结保温时间2～24小时。在粉末中添加助烧元素粉末(磷、镁等)，在粉末中添加相稳定元素粉末(铈、钕等稀土金属)。图2样品(含钴21wt％)的烧结温度：850℃，烧结保温时间3小时，尤其是850～1000℃，烧结保温时间2～4小时在此温度的范围无显著区别。相对的烧结温度不高，且保温时间不需要很长。
4破碎筛分过程
将烧结后的块体粉末进行破碎，进行分级筛分。
5高温热源致密化处理
采用等离子体、火焰、激光、微波等高温热源对粉末进行高温致密化处理。
6一种高钴含量钴-碳化钨合金粉末
最终得到本发明提到的高钴含量钴-碳化钨合金粉末。高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末可以含有球形颗粒也可以是球形、类球形或非球形颗粒的混合物。

Claims (8)

1、一种高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是将金属钴粉末和碳化钨粉末按照一定比例进行混合，通过团聚制粒方法进行造粒；造粒后粉末进行烧结，烧结温度：800～1400℃，烧结保温时间2～24小时，将烧结后的粉末进行破碎、筛分后，得到非球形或类球形粉末；通过高温热源将烧结后的粉末进行致密化处理；最终得到高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末包括球形、类球形或非球形颗粒；金属钴粉末和碳化钨粉末的混合比例分别是1-99wt％和99-1wt％。
2、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是碳化钨粉末可以是WC、W2C或者是两者的混合粉末，钴粉末含量为大于等于21wt.％。
3、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是所述团聚制粒工艺采用搅拌制粒或喷雾干燥。
4、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是造粒后粉末的烧结过程通过控制温度促进造粒粉末颗粒间的充分润湿实现颗粒的烧结。
5、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是进行高温致密化处理的热源是等离子体、火焰、激光或微波。
6、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是最终产品的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末含有球形颗粒或形状是球形、类球形或非球形颗粒的混合物。
7、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是金属钴粉末和碳化钨粉末的混合比例分别是21-70wt％和79-30wt％。
8、根据权利要求1所述的高钴含量钴-碳化钨热喷涂粉末及其制备技术，其特征是烧结温度为850～1000℃，烧结保温时间2～4小时。
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