張東 徐紅春

【摘要】本文論述了超音速噴涂納米復合碳化鎢-Co材料的制備。

【關鍵詞】超音速噴涂納米復合碳化鎢-Co材料，制備

一．研究目的和意義

當超硬材料的微觀結構達到納米級別的時候，納米晶?？梢垣@得類似金剛石的超高硬度（80-105GPa）。這種反常的超硬現(xiàn)象因在機械工程領域的巨大潛在應用引起了人們廣泛的研究。如果結構中粒子粒徑達到納米級，納米粒子的硬度將遵循Hall-Petch（H-P）方程 是描述金屬材料屈服應力？滓y與晶粒尺寸d之間關系的常用表達式，其中？滓y為材料發(fā)生0.2%變形時的屈服應力，？滓y通?？捎蔑@微硬度Hv來代替，？滓0為移動單個位錯試產(chǎn)生的晶格摩擦阻力；K為常數(shù)；d為平均晶粒直徑。H-P式也可以改寫成在H-P方程中，材料硬度與d■之間為線性關系，直線斜率大于零。 也就是說，材料的強度或硬度隨晶粒尺寸的減小而提高。因而，獲得尺寸較小的晶粒是改善材料強度的一種有效手段。

超音速噴涂（high velocity oxy-fuel），是通過特殊火焰噴槍獲得高溫、高速焰流用來噴涂喂料并得到優(yōu)異性能涂層的方法。超音速噴涂粒子速度可達300-650m/s，因而高速火焰噴涂層致密，結合強度高，涂層的孔隙率可小于0.5%，結合強度可達150MPa，接近或達到爆炸噴涂層的質量，顯著優(yōu)于等離子噴涂層和電鍍鉻層。當超音速噴涂喂料為納米結構時，所得涂層組織致密、結合強度高、硬度高、孔隙率低、涂層表面粗糙度低，具有納米級的表面光潔度。但是，利用超音速噴涂技術組裝納米結構涂層是一項復雜的技術，由于研究開發(fā)時間短，鍍層還不能達到設計要求，涂層結構顆粒多為100-200納米的亞微顆粒，未真正達到納米級。因此，研究制備納米級的超音速喂料對超音速技術的發(fā)展具有重要的意義。本項目將通過造粒合成一體化技術，合成超音速噴涂納米復合碳化鎢-鈷復合喂料。所制備的喂料可用于噴涂耐磨、耐蝕、導熱、絕緣、導電和密封等方面的納米涂層的制備，在機械制造、航空航天、水利電力、礦山冶金、石油化工和造紙皮革等領域有廣闊的應用前景。本項目所采用合成路線原料來源廣泛成本低廉、制備流程簡單，合成溫度低，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有較強的成本優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。

二.研究內(nèi)容與方法

本項目是為了解決目前納米復合超音速噴涂喂料制備工藝中難題，采用高速離心噴霧造粒法原位合成碳化鎢-鈷超音速噴涂喂料，所研究的主要內(nèi)容有：

①碳化鎢-鈷納米復合超音速噴涂喂料的原材料的選擇、設計及基本配方的優(yōu)化研究；

②高速離心噴霧干燥制備超音速噴涂喂料的工藝研究。

③超音速噴涂碳化鎢-鈷納米復合超音速噴涂喂料制備納米復合涂層的研究。

④碳化鎢-鈷納米復合涂層的力學性能及機理分析。

1、鎢鹽乙醇膠體制備。將適當比例的氯化鎢、氯化鈷與乙醇混合得混合溶液，氯化鎢與乙醇劇烈反應后得到澄清溶液。然后，尿素作為碳加入至乙醇與氯化鎢的混合溶液中。上述溶液攪拌一晝夜后靜置即可得鎢鹽乙醇凝膠。所得鎢鹽凝膠具有良好的涂覆性，可直接用于旋涂，噴涂等方法制備所需涂層。

2、碳化鎢-鈷納米復合超音速噴涂喂料的制備。所得物料轉移至閉路噴霧干燥儀中，噴霧造粒，通過控制物料的粘度以及霧化器轉速控制所得喂料的尺寸。典型噴霧干燥機工作條件為，溶液蒸發(fā)速率：10kg/h， 霧化器轉速25000 rpm，干燥溫度為200℃，所得喂料粒徑為10～1000μm。

3、超音速噴涂納米復合涂層。步驟3中所得喂料經(jīng)退火除去乙醇后即可用于超音速噴涂。噴涂試樣的基體材料為為316L不銹鋼以及T10A高速鋼。噴涂前對試樣進行除銹、除油，然后采用240μm剛玉進行粗化處理，涂層設計厚度約為0.5mm，將待噴涂的試樣在特制的夾具上依次裝夾、噴涂。 超音速噴涂設備采用Praxair公司最新的JP8000型HOVF設備，使用航空煤油為燃料，氧氣為助燃劑，氮氣為送粉載氣。噴涂工藝參數(shù)為：煤氣流量：約20L/h， 氧氣流量：約50m3/h， 送粉率：約5Kg/h， 噴涂距離：約 300mm。

4、性能測試。所得TiN 納米涂層使用SEM、TEM、XRD和EDS等手段分析其組分、顯微結構和形貌。涂層硬度測試采用國家標準GB/T 9790-1988 （金屬覆蓋層及其他有關覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗），涂層磨損測試采用國家標準GB/T 12444-2006（金屬材料 磨損試驗方法 試環(huán)-試塊滑動磨損試驗），涂層結合強度測試采用GB/T 8642-1988（熱噴涂層結合強度的測定？）測試。

三. 研究目標與結果：

項目實施后，所合成的超音速噴涂納米復合喂料以及制備出的涂層將達到以下指標：①超音速噴涂納米結構喂料中碳化鎢納米粒子直徑：≤10nm②超音速噴涂納米結構喂料中鈷含量：10～15%③超音速噴涂納米結構喂料粒子直徑：20μm～100μm

四、市場前景及經(jīng)濟效益預測

硬質合金是一種優(yōu)良的工具材料和結構材料，其用途極其廣泛，幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個部門和現(xiàn)代技術的各個領域。據(jù)估計，2000年全世界硬質合金的總產(chǎn)量為4.2萬噸，貿(mào)易量在1萬噸以上，貿(mào)易額達100億美元。其中WC-Co是產(chǎn)量最大、用途最廣的一類硬質合金，每年全世界市場需求量在2萬噸以上。僅切削工具，全世界每年大約有20億美元以上的需求量。

最新研究表明：納米WC-Co復合粉末用作耐磨涂層材料顯示出很好的效果，采用快速熔化、快速冷凝的熱噴涂技術制備的涂層，使粉末的納米結構特性得以保持，從而顯著提高了硬質合金耐磨涂層的性能。美國的Connecticut大學由Dr.Maurice Gell領導的一支由大學、工業(yè)界、科研機構以及海軍的科學家和工程師們聯(lián)合組成的龐大研究團隊，在Office of Naval Research Science and Technology Affordability Initiative和DODDual Use S&T; Program的支持下，正在努力將納米WC-Co粉末用于艦艇、飛機以及陸軍車輛的熱噴涂。因此，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)高性能的硬質合金勢在必行，其前提是必須大規(guī)模工業(yè)化制備納米WC-Co復合粉體?？傊?，納米WC-Co復合粉末具有不可估量的潛在市場。