CN104264098B - 一种爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可用于直升机旋翼系统连接件的爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法，其步骤为：对工件基材表面进行清洗和吹砂处理；采用爆炸喷涂方法在所述工件基材表面制备碳化钨耐磨涂层，并控制所述工件基材的温度为60～120℃；所述爆炸喷涂完成后，采用金刚石或立方氮化硼砂轮对涂层进行磨削精加工；直到工件基材涂层表面无烧伤、无裂纹；显微硬度HV0.3为1000～1400；涂层与工件基材的结合强度≥70MPa；孔隙率≤1.0；氧含量≤2%。采用发明提供的方法对直升机旋翼系统连接件表面进行喷涂处理，可有效避免由于微动磨损和表面划伤引起的零件失效，使用寿命可提高5～8倍。

Description

一种爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金耐磨涂层热喷涂技术，尤其涉及了一种用于直升机旋翼系统连接件的爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法。
背景技术
磨损是材料失效的三种主要形式之一，设备的故障往往是个别零件失效造成的。直升机旋翼系统连接件对表面性能要求很高，特别是在高速、重载的条件下，表面的局部磨损会造成零件的失效和降低装备的可靠性。碳化钨是540℃以下硬度最高的涂层材料，采用等离子喷涂时，中心火焰接近10000℃，将碳化钨喷涂材料加热到熔融状态后，随等离子弧焰流高速撞击并沉积到工件基材表面形成涂层。虽然等离子喷涂成本低、但涂层内部孔隙率一般高达10％，涂层的结合强度差；而喷涂过程温度高容易引起基材退火，造成基材力学性能下降。
采用爆炸喷涂制备的碳化钨涂层耐磨损、涂层结合强度高、致密性好，对工件基材无热影响，可以对金属表面复合强化，降低微动磨损造成零件的疲劳失效。喷涂过程中，由于温度较高，部分WC(碳化钨)可能会分解为W2C，甚至是金属钨，使涂层的结合强度和致密度降低。业界用钴将碳化钨包覆起来制成的钴包覆碳化钨粉末，从喷涂材料方面减少了碳化钨的氧化和分解。但采用爆炸喷涂制备的碳化钨涂层，取决于爆炸喷涂的燃气种类、燃烧气氛、压力和流量、喷涂距离等工艺条件。由于爆炸能量、温度和喷涂气氛的不可控，制备的WC-Co硬质合金耐磨涂层脱碳严重、氧含量高、涂层脆化和加工开裂等技术难点。
发明内容
本发明为了解决上述采用爆炸喷涂技术制备的WC-Co硬质合金耐磨涂层的技术问题，提供一种易操作、重复性好、粉末沉积率高、高强高韧以及低脱碳率和氧含量的爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法。
本发明提出的爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，对工件基材表面进行清洗和吹砂处理；
步骤2，采用爆炸喷涂方法在所述工件基材表面制备碳化钨耐磨涂层，并控制所述工件基材的温度为60～120℃；
步骤3、所述爆炸喷涂完成后，采用金刚石或立方氮化硼砂轮对涂层进行磨削精加工；直到工件基材涂层表面无烧伤、无裂纹；显微硬度HV0.3为1000～1400；涂层与工件基材的结合强度≥70MPa；孔隙率≤1.0；氧含量≤2％；
其中，所述爆炸喷涂中，采用氧气、乙炔和丙烷或者氧气、乙炔和丙烯的混合气体，该混合气体中氧气：乙炔：丙烷(或丙烯)流量范围为(1.2～1.5)：1.0：(0.1～0.2)m3/h，爆炸频率为3～6次/秒，喷涂距离为100～200mm，炮口直径为16～25mm，碳化钨粉体的送粉量为0.3～0.9g/s，喷涂斑点重叠30～75％，涂层厚度为200～800μm。
本发明在氧气和乙炔混合气体中通入丙烷或丙烯，在保证爆炸能量和粒子飞行速度的前提下，可以在还原气氛下制备低脱碳率和氧含量的WC-Co耐磨涂层。
现有技术相比，本发明有如下优点：
(1)在氧气和乙炔混合气体中通入丙烷或丙烯，由于丙烷和丙烯燃烧时放出的热能较乙炔要低，可以减少WC粉末的过热；而且丙烷和丙烯分别为单键和双键结构，相比乙炔的三键结构分子链断裂能较大，爆炸时粒子受热均匀且较发散的火焰有利于粒子的均匀雾化。通过调整爆炸喷涂工艺参数，可制备硬度和结合强度高、韧性好和低孔隙率的耐微动磨损的WC-Co防护涂层。
(2)本发明解决了用于直升机旋翼系统连接件如螺栓、桨叶销等曲率半径很小的弧面零部件制备高性能碳化钨耐磨防护涂层，可有效避免由于微动磨损和表面划伤引起的零件失效，使用寿命平均提高5～8倍。
具体实施方式
实施例1:
工件基材采用35Ni4Cr2MoA高强度结构钢，试样尺寸为Φ42mm×200mm。喷涂前用丙酮对工件基材表面进行超声清洗去除油脂，然后用46#金刚砂进行喷砂粗化处理，采用转床夹持对工件基材进行喷涂，喷涂后工件基材温度为100～120℃。其爆炸喷涂工艺参数见表1，涂层组成和性能见表2。
表1爆炸喷涂工艺参数
工艺参数 WC-12Co WC-17Co
爆炸频率 6次/秒 6次/秒
O2：C2H2：C3H8流量比 (1.5：1：0.2)m3/h (1.5：1：0.2)m3/h
喷涂距离 200mm 200mm
炮口直径 25 25
送粉量 0.9g/秒 0.9g/秒
斑点重叠率 30％ 30％
喷涂过程：在每次爆炸之前，首先向爆炸室内输送氧气、乙炔和丙烷(或丙烯)气可燃混合气体；然后由送粉器输送雾化的粉料；通过火花塞点火使之迅速燃烧并发生爆炸，形成高温高速燃气流；被高温熔化或软化的粒子经1.1m长的炮筒向工件基材表面轰击，喷枪口的涂料颗粒飞行速度高达800～1200米/秒，粉末粒子对工件基材撞击力大，脉冲式的爆炸喷涂抑制了工件基材的升温，在工件基材表面上通过斑点叠加形成高质量的涂层。爆炸后枪膛内须送入惰性清扫气体，以保持枪内清洁，为继续喷涂做准备。喷涂完成后采用金刚石或立方氮化硼砂轮对涂层进行磨削精加工，以达到以下表2所示的参数：
表2涂层组成和性能
涂层性能 WC-12Co WC-17Co
硬度HV0.3 1160 980
结合强度 128MPa 112MPa
孔隙率 1.82％ 1.68％
氧含量 ≤2％ ≤2％
涂层厚度 783μm 746μm
工件基材温度 100～110℃ 100～110℃
实施例2:
工件基材采用35Ni4Cr2MoA高强度结构钢，试样尺寸为Φ22mm×120mm。喷涂前用丙酮对工件基材表面进行超声清洗去除油脂，然后用46#金刚砂进行喷砂粗化处理，采用转床夹持对工件基材进行喷涂，喷涂后工件基材温度为80～100℃。其爆炸喷涂工艺参数见表3，涂层组成和性能见表4。
表3爆炸喷涂工艺参数
工艺参数 WC-12Co WC-17Co
爆炸频率 4次/秒 4次/秒
O2：C2H2：C3H8流量比 (1.3：1：0.15)m3/h (1.3：1：0.15)m3/h
喷涂距离 150mm 150mm
炮口直径 20 20
送粉量 0.6g/秒 0.6g/秒
斑点重叠率 50％ 50％
表4涂层组成和性能
涂层性能 WC-12Co WC-17Co
硬度HV0.3 1280 1045
结合强度 142MPa 136MPa
孔隙率 1.32％ 1.15％
氧含量 ≤1.5％ ≤1.5％
涂层厚度 463μm 448μm
工件基材温度 80～100℃ 80～100℃
实施例3:
基材采用35Ni4Cr2MoA高强度结构钢，试样尺寸为Φ8mm×70mm。喷涂前用丙酮对工件基材表面进行超声清洗去除油脂，然后用46#金刚砂进行喷砂粗化处理，采用转床夹持对工件基材进行喷涂，喷涂后工件基材温度为60～80℃。其爆炸喷涂工艺参数见表5，涂层组成和性能见表6。
表5爆炸喷涂工艺参数
工艺参数 WC-12Co WC-17Co
爆炸频率 3次/秒 3次/秒
O2：C2H2：C3H6流量比 (1.2：1.0：0.1)m3/h (1.2：1.0：0.1)m3/h
喷涂距离 150mm 150mm
炮口直径 16mm 16mm
送粉量 0.3g/秒 0.3g/秒
斑点重叠率 75％ 75％
表6涂层组成和性能
涂层性能 WC-12Co WC-17Co
硬度HV0.3 1360 1160
结合强度 152MPa 146MPa
孔隙率 0.82％ 0.78％
氧含量 ≤1％ ≤1％
涂层厚度 224μm 238μm
工件基材温度 60～80℃ 60～80℃
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限于此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种爆炸喷涂碳化钨耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，对工件基材表面进行清洗和吹砂处理；
步骤2，采用爆炸喷涂方法在所述工件基材表面制备碳化钨耐磨涂层，并控制所述工件基材的温度为60～120℃；
步骤3、所述爆炸喷涂完成后，采用金刚石或立方氮化硼砂轮对涂层进行磨削精加工；直到工件基材涂层表面无烧伤、无裂纹；显微硬度HV0.3为1000～1400；涂层与工件基材的结合强度≥70MPa；孔隙率≤1.0；氧含量≤2%；
其中，所述爆炸喷涂中，采用氧气、乙炔和丙烷或者氧气、乙炔和丙烯的混合气体，该混合气体中氧气：乙炔：丙烷或丙烯流量范围为（1.2～1.5）：1.0：（0.1～0.2）m3/h，爆炸频率为3～6次/秒，喷涂距离为100～200 mm，炮口直径为16～25 mm，碳化钨粉体的送粉量为0.3～0.9 g/s，喷涂斑点重叠30～75%，涂层厚度为200～800 μm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1，是采用丙酮对工件基材表面进行超声清洗去除油脂，然后用46#金刚砂进行喷砂粗化处理，以增加涂层与基材的附着力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所用的碳化钨粉体为WC-12Co或WC-17Co，碳化钨粉体粒径为15～45μm。
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