超音速?lài)娡考{米復(fù)合碳化鎢—Co材料的制備

張東 徐紅春

【摘要】本文論述了超音速?lài)娡考{米復(fù)合碳化鎢-Co材料的制備。

【關(guān)鍵詞】超音速?lài)娡考{米復(fù)合碳化鎢-Co材料，制備

一．研究目的和意義

當(dāng)超硬材料的微觀結(jié)構(gòu)達(dá)到納米級(jí)別的時(shí)候，納米晶?？梢垣@得類(lèi)似金剛石的超高硬度（80-105GPa）。這種反常的超硬現(xiàn)象因在機(jī)械工程領(lǐng)域的巨大潛在應(yīng)用引起了人們廣泛的研究。如果結(jié)構(gòu)中粒子粒徑達(dá)到納米級(jí)，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(yīng)力？滓y與晶粒尺寸d之間關(guān)系的常用表達(dá)式，其中？滓y為材料發(fā)生0.2%變形時(shí)的屈服應(yīng)力，？滓y通?？捎蔑@微硬度Hv來(lái)代替，？滓0為移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)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(xiě)成在H-P方程中，材料硬度與d■之間為線性關(guān)系，直線斜率大于零。 也就是說(shuō)，材料的強(qiáng)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(qiáng)度的一種有效手段。

超音速?lài)娡浚╤igh velocity oxy-fuel），是通過(guò)特殊火焰噴槍獲得高溫、高速焰流用來(lái)噴涂喂料并得到優(yōu)異性能涂層的方法。超音速?lài)娡苛Ｗ铀俣瓤蛇_(dá)300-650m/s，因而高速火焰噴涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高，涂層的孔隙率可小于0.5%，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)150MPa，接近或達(dá)到爆炸噴涂層的質(zhì)量，顯著優(yōu)于等離子噴涂層和電鍍鉻層。當(dāng)超音速?lài)娡课沽蠟榧{米結(jié)構(gòu)時(shí)，所得涂層組織致密、結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、孔隙率低、涂層表面粗糙度低，具有納米級(jí)的表面光潔度。但是，利用超音速?lài)娡考夹g(shù)組裝納米結(jié)構(gòu)涂層是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，由于研究開(kāi)發(fā)時(shí)間短，鍍層還不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，涂層結(jié)構(gòu)顆粒多為100-200納米的亞微顆粒，未真正達(dá)到納米級(jí)。因此，研究制備納米級(jí)的超音速喂料對(duì)超音速技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。本項(xiàng)目將通過(guò)造粒合成一體化技術(shù)，合成超音速?lài)娡考{米復(fù)合碳化鎢-鈷復(fù)合喂料。所制備的喂料可用于噴涂耐磨、耐蝕、導(dǎo)熱、絕緣、導(dǎo)電和密封等方面的納米涂層的制備，在機(jī)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(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目所采用合成路線原料來(lái)源廣泛成本低廉、制備流程簡(jiǎn)單，合成溫度低，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。

二.研究?jī)?nèi)容與方法

本項(xiàng)目是為了解決目前納米復(fù)合超音速?lài)娡课沽现苽涔に囍须y題，采用高速離心噴霧造粒法原位合成碳化鎢-鈷超音速?lài)娡课沽希芯康闹饕獌?nèi)容有：

①碳化鎢-鈷納米復(fù)合超音速?lài)娡课沽系脑牧系倪x擇、設(shè)計(jì)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?lài)娡课沽系墓に囇芯俊?/p>

③超音速?lài)娡刻蓟u-鈷納米復(fù)合超音速?lài)娡课沽现苽浼{米復(fù)合涂層的研究。

④碳化鎢-鈷納米復(fù)合涂層的力學(xué)性能及機(jī)理分析。

1、鎢鹽乙醇膠體制備。將適當(dāng)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(yīng)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(fù)合超音速?lài)娡课沽系闹苽洹Ｋ梦锪限D(zhuǎn)移至閉路噴霧干燥儀中，噴霧造粒，通過(guò)控制物料的粘度以及霧化器轉(zhuǎn)速控制所得喂料的尺寸。典型噴霧干燥機(jī)工作條件為，溶液蒸發(fā)速率：10kg/h， 霧化器轉(zhuǎn)速25000 rpm，干燥溫度為200℃，所得喂料粒徑為10～1000μm。

3、超音速?lài)娡考{米復(fù)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?lài)娡俊娡吭嚇拥幕w材料為為316L不銹鋼以及T10A高速鋼。噴涂前對(duì)試樣進(jìn)行除銹、除油，然后采用240μm剛玉進(jìn)行粗化處理，涂層設(shè)計(jì)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?lài)娡吭O(shè)備采用Praxair公司最新的JP8000型HOVF設(shè)備，使用航空煤油為燃料，氧氣為助燃劑，氮?dú)鉃樗头圯d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(cè)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(jié)構(gòu)和形貌。涂層硬度測(cè)試采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9790-1988 （金屬覆蓋層及其他有關(guān)覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗(yàn)），涂層磨損測(cè)試采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12444-2006（金屬材料 磨損試驗(yàn)方法 試環(huán)-試塊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)），涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試采用GB/T 8642-1988（熱噴涂層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定？）測(cè)試。

三. 研究目標(biāo)與結(jié)果：

項(xiàng)目實(shí)施后，所合成的超音速?lài)娡考{米復(fù)合喂料以及制備出的涂層將達(dá)到以下指標(biāo)：①超音速?lài)娡考{米結(jié)構(gòu)喂料中碳化鎢納米粒子直徑：≤10nm②超音速?lài)娡考{米結(jié)構(gòu)喂料中鈷含量：10～15%③超音速?lài)娡考{米結(jié)構(gòu)喂料粒子直徑：20μm～100μm

四、市場(chǎng)前景及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

硬質(zhì)合金是一種優(yōu)良的工具材料和結(jié)構(gòu)材料，其用途極其廣泛，幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)和現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)估計(jì)，2000年全世界硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量為4.2萬(wàn)噸，貿(mào)易量在1萬(wàn)噸以上，貿(mào)易額達(dá)100億美元。其中WC-Co是產(chǎn)量最大、用途最廣的一類(lèi)硬質(zhì)合金，每年全世界市場(chǎng)需求量在2萬(wàn)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(fù)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(shù)制備的涂層，使粉末的納米結(jié)構(gòu)特性得以保持，從而顯著提高了硬質(zhì)合金耐磨涂層的性能。美國(guó)的Connecticut大學(xué)由Dr.Maurice Gell領(lǐng)導(dǎo)的一支由大學(xué)、工業(yè)界、科研機(jī)構(gòu)以及海軍的科學(xué)家和工程師們聯(lián)合組成的龐大研究團(tuán)隊(duì)，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(jī)以及陸軍車(chē)輛的熱噴涂。因此，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)高性能的硬質(zhì)合金勢(shì)在必行，其前提是必須大規(guī)模工業(yè)化制備納米WC-Co復(fù)合粉體?？傊?，納米WC-Co復(fù)合粉末具有不可估量的潛在市場(chǎng)。