毛英坤

【摘 要】本文闡述了爆炸噴涂83W-14Co-3C碳化鎢涂層工藝國產(chǎn)化研究過程；從對該項(xiàng)工藝方法技術(shù)查詢?nèi)胧?，與某高校聯(lián)合進(jìn)行了技術(shù)研究工作，最終實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次應(yīng)用83W-14Co-3C碳化鎢涂層工藝，填補(bǔ)了國內(nèi)爆炸噴涂產(chǎn)品的空白。

【關(guān)鍵詞】爆炸噴涂；碳化鎢涂層；工藝國產(chǎn)化

1.任務(wù)來源

爆炸噴涂技術(shù)是一種先進(jìn)的熱噴涂技術(shù)，某型號產(chǎn)品參照法國圖紙要求表面爆炸噴涂LW1N40碳化鎢涂層實(shí)現(xiàn)減摩耐磨、延長使用壽命、提高飛行安全系數(shù)的目的。

LW1N40碳化鎢涂層是美國聯(lián)合碳化鎢（Praxair）公司專利技術(shù)，該涂層具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨粒磨損性能。由于美國聯(lián)合碳化物公司一直將爆炸噴涂LW1N40涂層技術(shù)處于保密狀態(tài)，不對外出售設(shè)備，僅在本公司內(nèi)為用戶提供制備涂層的服務(wù)，并且至今未發(fā)表過關(guān)于該技術(shù)的任何論文。國內(nèi)許多從事爆炸噴涂的企業(yè)、高校及科研院所也從未涉及此涂層，沒有相關(guān)涂層標(biāo)準(zhǔn)和資料，對LWIN40碳化鎢涂層制備技術(shù)及涂層組成和涂層性能參數(shù)均不了解。而前蘇聯(lián)和烏克蘭開發(fā)的爆炸噴涂技術(shù)，雖然噴涂原理相同，但是卻采用簡單的連續(xù)送粉方式，獲得的涂層由于爆炸時(shí)粉末分散在爆炸管不同位置，涂層組織不均勻，結(jié)合強(qiáng)度低。

為打破國外技術(shù)封鎖，盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的目的，成立了科研攻關(guān)課題組，專項(xiàng)研究與LWIN40碳化鎢涂層性能相當(dāng)?shù)奶蓟u涂層制備技術(shù)。

2.零件技術(shù)要求

（1）零件材料為EZ1CNDAT.12.9。

（2）零件外表面噴丸處理。

（3）零件外表面噴涂碳化鎢涂層，磨削后涂層厚度0.1～0.15，最小厚度不小于0.07mm。

3.總體思路

按照項(xiàng)目需求，選用先進(jìn)的碳化鎢涂層制備方法——爆炸噴涂方法，立足國產(chǎn)碳化鎢粉末，根據(jù)涂層性能要求，選用燒結(jié)型碳化鎢粉末，選用大連海事大學(xué)制造的高性能爆炸噴涂專利設(shè)備進(jìn)行涂層噴涂試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)該爆炸噴涂該涂層工藝方法的全面國產(chǎn)化研制。

3.1技術(shù)方案

由于涂層性能項(xiàng)目繁多，而國內(nèi)對碳化鎢涂層性能檢測標(biāo)準(zhǔn)尚未形成體系。如何從產(chǎn)品應(yīng)用的角度確定碳化鎢涂層性能檢測項(xiàng)目及檢測標(biāo)準(zhǔn)，直接影響到涂層性能的判定，這是工藝研究過程中非常棘手的問題。根據(jù)產(chǎn)品使用性能，通過對涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)特點(diǎn)的分析，確定涂層指標(biāo)、試驗(yàn)方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)：

3.1.1涂層外觀

涂層外觀是涂層判定最基本的要素。零件涂層表面應(yīng)完整致密、顏色均勻一致，無裂紋、剝落、分層、邊緣翹起及磨削加工引起的燒傷等缺陷。

3.1.2涂層組成

碳化鎢涂層的主要組成相為WC、W和Co，只有極少量碳化鎢發(fā)生分解產(chǎn)生W2C相。由于涂層組成相的比例直接影響涂層的結(jié)合強(qiáng)度、密度、氣孔率、耐磨性等性能，故嚴(yán)格控制涂層各組成相的比例分配是保證涂層性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1.3涂層結(jié)合力

涂層的結(jié)合強(qiáng)度是涂層系統(tǒng)的重要的指標(biāo)，常用的試驗(yàn)方法有膠接拉脫法、杯突法、彎曲、扭轉(zhuǎn)法等結(jié)合力測試方法。按照HB 要求，進(jìn)行膠接拉脫法涂層結(jié)合力試驗(yàn)。

3.1.4涂層硬度

涂層的硬度測定分為宏觀硬度（洛氏表面硬度）和微觀硬度（顯微硬度和維氏硬度）。顯微硬度和維氏硬度可以對涂層中的基體相和硬質(zhì)相進(jìn)行分別測定，涂層表面性能則主要考核其各種功能性，如對涂層的成份、結(jié)構(gòu)和形貌，通過進(jìn)行金相、電鏡、 X射線衍射等方面的微觀分析，最后對涂層性能和涂層界面性能進(jìn)行評價(jià)。

綜合上述分析，確定了涂層檢測主要項(xiàng)目、參考項(xiàng)目及相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

3.2試驗(yàn)件噴涂相關(guān)輔助設(shè)備的開發(fā)

3.2.1噴涂前表面處理

根據(jù)圖紙技術(shù)要求，零件噴涂之前需要進(jìn)行噴丸處理。要求零件表面粗糙度1.6， 噴丸深度0.3～0.4，彈丸直徑0.6mm，重疊率150%。

3.2.2噴涂用卡具

由于零件臺(tái)肩根部有0.2mm下陷不噴涂涂層，涂層在距零件另一端頭10mm處終止，在爆炸噴涂過程中，需要對樣件非噴涂區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，考慮到爆炸噴涂時(shí)的強(qiáng)大沖擊力及噴涂火焰的瞬時(shí)高溫，無法采用膠帶、牛皮紙等常規(guī)隔離方式，根據(jù)零件外部特征設(shè)計(jì)制作了專用工裝卡具。該卡具采用采用零件兩端60°錐面定位，一次可裝卡兩件工件，既可承受高溫高壓，有效的保護(hù)非噴涂區(qū)域，又可顯著提高噴涂效率及噴涂粉末的利用率。產(chǎn)品的開槽部分由于卡具的保護(hù)，沒有噴涂涂層及碳化鎢粉末的飛濺，為后續(xù)零件表面最終磨削工序提供了方便。

3.2.3磨削加工卡具的設(shè)計(jì)

為保證零件表面粗糙度達(dá)到圖紙要求，在噴涂時(shí)單邊預(yù)留0.05mm磨削余量。由于涂層較薄，如果磨削加工時(shí)零件裝夾定位基準(zhǔn)與爆炸噴涂時(shí)定位基準(zhǔn)偏差較大，就會(huì)造成磨削后涂層產(chǎn)生一側(cè)薄而另一側(cè)較厚的現(xiàn)象，甚至造成零件局部涂層無法磨削的現(xiàn)象。為此，根據(jù)零件的特點(diǎn)設(shè)計(jì)加工了磨削專用卡具?？ň卟捎昧慵啥?0°錐面定位，使磨削裝夾定位基準(zhǔn)與噴涂卡具徑向跳動(dòng)量小于0.01mm，以滿足工件磨削加工的需要。

3.3涂層性能檢測

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了相關(guān)工藝參數(shù)，并噴涂試片進(jìn)行涂層性能檢測。

3.3.1金相組織

隨機(jī)抽取一噴涂試樣，將試樣切開取縱截面。試樣鑲嵌后，分別經(jīng)240#、400#、600#、800#耐水砂紙打磨，再經(jīng)粗拋、精拋處理，用OLYMPUS GX71型數(shù)碼金相顯微鏡（觀察涂層組織界面圖像。依據(jù)HB6738-93、HB7627-1998并與標(biāo)準(zhǔn)圖片比較，上圖涂層中氧化物少、孔洞小。涂層與基體界面上污染很少，涂層中未發(fā)現(xiàn)未熔顆粒，富鈷相沒有堆積。磨削加工后的零件表面涂層連續(xù)，粗糙度可達(dá)0.4μm，完全滿足圖紙要求。

3.3.2涂層硬度

涂層顯微維氏硬度的測量使用MH-6維氏硬度儀，采用正四棱錐金剛石壓頭。

依據(jù)HB 5486-91，硬度試驗(yàn)載荷300g，載荷保持時(shí)間10s。壓痕間距為壓痕棱邊10倍，測量10點(diǎn)求平均值。

3.3.3涂層結(jié)合力

拉伸實(shí)驗(yàn)參考HB 5476-91，采用靜力拉伸法測試。拉伸件對偶件和對偶試樣都經(jīng)過丙酮清洗、棕剛玉噴砂、第二次丙酮清洗處理。隨即無預(yù)熱，在對偶試樣的圓面上噴涂。在對偶件和對偶試樣圓面上均勻涂覆E-7環(huán)氧樹脂膠并對粘，確保二者同心度。放入加熱爐中100℃保溫3h，取出進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

3.3.4涂層拉伸強(qiáng)度

涂層抗拉實(shí)驗(yàn)采用HB 5475-91的規(guī)定。方法：將涂層噴涂在直徑32mm的45#鋼式樣外表面上，經(jīng)磨削后將試樣夾持在MTS試驗(yàn)機(jī)上，通過使用活動(dòng)夾頭確保試樣與試驗(yàn)機(jī)同軸，拉伸速度2mm.min-1，直到將涂層拉斷為止。

4.試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，使用國產(chǎn)設(shè)備、選用國產(chǎn)粉末爆炸噴涂的碳化鎢涂層，經(jīng)過對涂層性能各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測結(jié)果分析，涂層的性能基本達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足產(chǎn)品使用要求，說明采用的涂層粉末、工藝方法、工藝參數(shù)能夠有效的保證涂層的性能，成功地實(shí)現(xiàn)了爆炸噴涂83W-14Co-3C碳化鎢涂層的國產(chǎn)化工作。經(jīng)涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測，本項(xiàng)目獲得的碳化鎢涂層與美國聯(lián)合碳化鎢（Praxair）公司的爆炸噴涂涂層性能基本相當(dāng)。