超音速等离子喷涂制备WC-Co涂层的技术经济分析.pdf

4 6 有色金属 冶炼部分2 0 0 6 年增刊 超音速等离子喷涂制备W C C o 涂层的技术经济分析 王海军1 ，韩志海2 ，徐滨士1 ，刘明1 1 ．装甲兵工程学院，装备再制造技术国防科技重点实验室，北京1 0 0 0 7 2 ； 2 ．西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安7 1 0 0 4 9 摘要介绍了应用自行开发的高效能超音速等离子喷涂技术 娅P J e t 制备W C - 1 2 C o 涂层的一些性能与 技术特点，并与A P S 和目前应用较多的超音速火焰 H V O F 喷涂方法进行了技术经济对比分析。结果 表明H E P J e t 制备的w G c o 涂层中W C 的分解和失碳现象较A P S 显著改善，而涂层的氧化低于H V O F ， 使涂层的性能优于A P S ，与H V O F 相当；另一方面由于H E P J e t 制备W D C o 涂层的沉积效率高，能耗低， 综合喷涂成本下降，显示出良好的技术经济特色。 关键词超音速等离子喷涂；W G l 2 C o 涂层 中图分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 4 6 0 4 C h a r a c t e r i s t i c sa n dA p p l i c a t i o no fW C C oC o a t i n g sP r e p a r e d b yH i g h - E f f i c i e n c yS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y i n g W A N GH a l j u n l ，H A NZ h i h a i 2 ，X UB i n g s h i l ，L I UM i n 9 1 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR e m a n u f a c t u r eT e c h n o l o g y 。A r m o r e dF o r c eE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rM e c h a n i c a lB e h a v i o ro fM a t e r i a l s ，X i ’a l lJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，X i ’a n7 1 0 0 4 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec h a r a c t e r i s t i c so fW C 一1 2 C oc o a t i n g sp r e p a r e db yt h er e c e n t l yd e v e l o p e dH i g h E f f i c i e n c yS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y i n g H E P J e t w a si n t r o d u c e da n dc o m p a r e dt h a ts o m ef e a t u r e sa b o u tt e c h n i c a la n de c o n o m i c w i t hA P Sa n dH i g hV e l o c i t yO x y F u e l H V O F p r o c e s st h a tw i d e l yu s e dt op r e p a r eW C 一1 2 C oc o a t i n g s ．T h er e s u i ts h o w st h a td e c a r b u r i z a t i o no ft u n g s t e nc a r b i d ew a si m p r o v e do b v i o u s l yt h a nA P S ．a n do x i d a t i o nw a sl o w e r r e l a t i v et oH V O F ，w h i c hr e s u l ti nt h ep r o p e r t i e so fc o a t i n g sb yH E P J e tw a ss u p e r i o rt oA P Sa n de q u i v a l e n tt o H V O F ．O nt h eo t h e rh a n d ，b e i n gh i g h e rd e p o s i t i o ne f f i c i e n c ya n dl o w e rp o w e ra n dg a s e sc o n s u m p t i o nw h i c hr e s u i t i n gt os i g n i f i c a n tt o t a lc o s ts a v i n g s ，H E P Je te x h i b i t i o n st h es i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o no ft e c h n i c a la n de c o n o m i c ． K e y w o r d s S u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y i n g ；W G12 C oc o a t i n g s 热喷涂是将被喷涂材料 粉末或者线材 送人由 喷枪口喷射出的高温、高速火焰或等离子体射流中， 使喷涂材料迅速熔化，以熔融或半熔融液滴形态高 速喷射到基体材料表面，熔融粒子撞击基体时能量 转换、变形、铺展、流散和润湿，并以约1 0 6K ／S 的速 度极快的冷却、凝固，堆垛形成0 ．1 ～1 ．0n 2 m 厚度 范围的涂层，且基体的温度一般不超过2 0 0 ℃。可 以想象，随着喷射的熔融粒子撞击基体表面时的速 度越高，涂层的致密性、结合强度、硬度等技术指标 都将得到明显改善。因此，近年来提高热喷涂射流 和粒子的速度已成为当前国际热喷涂技术发展的新 趋势，相继出现了爆炸喷涂 D j e t 、超音速火焰喷涂 H V O F 、高速电弧喷涂以及最新的超音速等离子 喷涂和“冷气”动力喷涂等uqJ 。 超音速等离子喷涂，最主要的特点把传统的大 气等离子喷涂 A P S 射流速度大幅提高，喷涂粒子 基金项目国防科技重点实验室基金项目 5 1 4 8 9 0 2 0 4 0 5 J S 9 1 0 1 ；国家自然科学基金资助项目 9 0 3 0 5 0 2 3 作者简介王海军 1 9 5 6 ，男，河北玉田人，高级工程师 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊4 7 的速度可从A P S 的亚音速 2 0 0 ～3 0 0m ／s 提高到 4 0 0 ～8 0 0m ／s 以上。且喷涂材料的沉积率高，喷涂 效率高、成本较低。但相对于D j e t 和H V O F ，超音 速等离子喷涂系统要复杂多，国际上至今尚未推出 较成熟的商品化超音速等离子喷涂设备。本文介绍 了由北京装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技 重点实验室于2 0 0 3 年试制成功的、具有我国特色的 低功率 8 0k W 、小气体流量 5m 3 ／h 高效能超音 速等离子喷涂系统 H E P J e t ，该项目已获国家发明 专利 Z L 0 1 1 0 1 0 7 7 ．0 和2 0 0 3 年度国家科技进步二 等奖 J 一2 1 6 2 0 5 。在此基础上，侧重介绍应用 该设备制备出的有特色、并有良好技术经济效益的 W C C o 金属陶瓷涂层的最新研究成果。 1H E P J e t 超音速等离子喷涂系统的 主要性能特点 H E P J e t 系统主要包括超音速等离子喷枪、H E P J 一 Ⅱ型逆变式等离子喷涂电源、P L C 过程控制与状态点 监测和报警控制柜、循环冷却制冷式热交换器、螺杆 推进式送粉器、水电气分配器等部件 图1 。 图1H E P J e t 高效能超音速等离子喷涂系统 F i g ．1H i g h - E f f i c i e n c yS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a ys y s t e m H E P J e t 1 ．1 超音速等离子喷枪题。 等离子喷枪 也称等离子发生器 ，是该系统中 最为关键的部件，其主要特色为 1 突破传统的依靠大功率 2 5 0 ～3 0 0k W 、大 气体流量 2 0 ～3 0m 3 ／h 来获得超音速射流的思想， 采用独具特色的低功率 8 0k W 、小气体流量 5 m 3 ／h 的结构设计，科学应用单阳极拉伐尔喷管技 术，在较低能耗下得到了高能量密度、高稳定性的超 音速等离子射流； 2 采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射 流加速方案。依靠对电弧初始段的强烈压缩效应迫 使阳极斑点前移来拉长电弧，实现对电弧区段的加 速，突破了传统的双阳极结构逐级拉长电弧，仅对焰 流区加速的方法，同时也避免了拉伐尔喷嘴型面直接 作阳极而易烧喷嘴的难题，喷嘴工作稳定、寿命长； 3 采用内送粉结构，可直接将喷涂粉末送到等 离子焰流的高温区，相对目前国内外通用的外送粉 方式，有效提高了等离子弧热能利用率，提高了涂层 沉积率，并较好解决了普通内送粉喷枪易堵嘴的难 1 ．2P L C 控制柜和I G B T 逆变电源 超音速等离子射流温度和速度可在较大范围调 变，通过气体流量和电参数的合理匹配，可满足不同 性能材料的喷涂需要，既可喷涂高熔点的氧化物陶 瓷材料，也可喷涂熔点较低的金属陶瓷以及各种金 属与合金材料，因此对多路气体流量、压力，各种电 参数，以及喷涂过程的自动控制和故障监测、喷涂参 数的可重复性、一致性提出了较高要求。本控制柜 采用了P L C 喷涂全过程时序自动控制技术和 N E C T 和N F P A 码安全控制，可对系统状态进行在 线监测，L E D 实时显示喷涂过程的故障原因，声光 报警等。设置了“自动”“手动”“预置”三种操作模 式，可方便实现单／双极喷枪、单／双送粉器以及A r H 2 、A r N 2 、A r N 2 H 2 及N 2 H 2 等多种配气 和喷涂方案的转换；既可以制备单一涂层，也可以制 备多层或梯度复合涂层。 在国内外率先采用先进的I G B T2 0k H zP w M 全桥整流逆变技术，使得超音速等离子喷涂电源的 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 体积更加小，研制成功了适用于超音速等离子喷涂 所需要的大功率 8 0 ～1 0 0k W 、高电压 2 0 0 ～4 0 0 V 、大电流 6 0 0A 、抗高频干扰的高稳定性逆变电 源系统。 2超音速等离子喷涂制备W C 一1 2 C o 涂层特点与技术经济分析 热喷涂W C C o 涂层有很高的硬度和和良好的 强韧性，因而在抗各种磨损方面显现出良好的前 景[ 4 _ 5 ] 。普通等离子喷涂 A P S 由于温度高引起的 W C 分解和脱碳现象，导致涂层硬度下降；超音速火 焰喷涂 H V O F 由于温度较低，速度高，有效抑制了 成本较高。超音速等离子喷涂由于粒子飞行速度大 幅提高，粒子在高能射流中停留的时间大大缩短，有 效减轻了传统A P S 方法制备w G C o 涂层导致的 W C 分解和脱碳问题，同时等离子喷涂是在一种惰 性和还原性气氛中进行，涂层中的氧含量也明显低 于H V O F ，更有意义的是喷涂W C C o 的沉积率和喷 涂效率与H V O F 相比有较大的提高，喷涂成本显著 降低。本文从以下几方面对超音速等离子喷涂与 H V O F 和A P S 工艺制备W C ．1 2 C o 涂层性能特点进 行技术经济分析。 2 ．1 三种热喷涂方法制备W C ．1 2 C o 涂层的典型工 艺对比 W C 粒子在喷涂过程中的分解，使涂层更加致密、耐选择目前最常用的普通等离子喷涂 A P S 和超 磨，近年来在替代镀硬铬方面发展很快[ 6 ] 。但是一音速火焰喷涂 H O V F 两种喷涂方法制备W C - C o 方面超音速火焰要消耗大量气体和燃料来获得高速涂层，并与新开发的高效能超音速等离子喷涂 气流，另一方面半熔融状态的W C 颗粒高速撞击基 H E P J e t 工艺进行涂层性能和技术经济分析。表1 材，会造成较多的反弹，涂层的沉积率较低，故喷涂是三种喷涂工艺的典型喷涂参数。 表1三种喷涂方法制备W C ．1 2 C o 涂层的典型工艺参数 T a b l e1 T y p i c a ls p r a y i n gp a r a m e t e r so fW C - 1 2 C oc o a t i n g sb yd i f f e r e n tt h e r m a ls p r a y i n gp r o c e s s e s 工艺参数超音速等离子喷涂超音速火焰喷涂普通等离子喷涂 等离子弧功率／k w 4 5 ～6 0 一 3 5 ～5 0 射流温度／℃ 35 0 0 80 0 025 0 0 ～32 0 070 0 0 ～1 00 0 0 粒子速度／ m s 。1 4 0 0 ～8 0 0 5 0 0 ～9 0 02 0 0 ～3 0 0 工作气耗量／ m 3 h 一1 3 ～5 氧气2 0 ～3 0 ，丙烷4 ～1 0 2 ～4 粉末沉积率／％ 5 0 4 0 4 5 喷涂速率／ k g h 。1 2 ．4 ～64 ～82 ～1 0 图2 三种工艺制备的W C ．1 2 C o 涂层的扫描电镜的S E M 断面形貌 F i g ．2 S E Mm o r p h o l o g i e so fW C - 1 2 C oc o a t i n g sp r e p a r e db yd i f f e r e n tp r o c e s s e s 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊4 9 表1 可看出，超音速等离子射流温度处于 H V O F 和普通等离子之间，相对而言两种等离子喷 涂的射流温度范围较大，通过控制温度，既可以喷涂 高熔点的陶瓷材料，也可以喷涂低熔点的合金材料， 这一点是超音速火焰难以实现的。图2 和图3 是三 种不同工艺制备的W C 一1 2 C o 涂层的扫描电镜S E M 断面形貌和X 射线衍射图谱，表2 给出了相应的 a 原始粉末 2 0 3 04 05 06 07 08 09 0 2 0 ／ o ●●C O } W 2 C ’W ’C 0 3 W 9 C 4 C o , W 6 C Z ’ - l 一 l } | ●I J _ 赧 ■ 群‰ 1 ．．I 渤交 2 03 04 05 06 0 7 0 2 0 ／ 。 E D S 成分，可对涂层的组织形貌、相结构、孔隙率等 作较深入的分析。另外还三种涂层的结合强度、显 微硬度和孑L 隙率测试结果参见表3 。由表1 还可看 出，超音速火焰喷涂的耗气量比两种等离子喷涂要 高出一个数量级，粉末的沉积率最低 4 0 ％ ，这不 仅影响喷涂效率，对生产成本也有较大影响。 b H E P J e t 涂层 ■ ■ ■W C ●C O ●W 2 C 8 0 9 0 2 03 04 05 06 07 08 09 0 2 0 ／ 。 ’ 图3三种喷涂工艺制备的W C ．1 2 C o 涂层的X R D 衍射图谱 F i g ．3 X R Dp a t t e r n so fW C - 1 2 C oc o a t i n g sp r e p a r e db yd i f f e r e n tp r o c e s s e s 表2 三种喷涂方法获得的W C ．1 2 C o表3三种喷涂方法制备W C ．1 2 C o 涂层的E D S 成分涂层的性能测试结果 T a b l e2E D Sc o m p o s i t i o no fW C - 1 2 C oc o a t i n g sb y d i f f e r e n tt h e r m a ls p r a y i n gp r o c e s s e s／％ 名称CC oWO W C - 1 2 C o 粉末 1 1 ．9 7 1 1 ．7 67 6 ．2 7 一 H E P J e t 喷涂层7 ．8 01 1 ．5 57 7 ．9 03 ．7 5 H V O F 喷涂层7 ．1 81 1 ．4 57 5 ．6 25 ．7 5 A P S 喷涂层5 ．9 71 0 ．497 8 ．9 56 ．5 9 T a b l e3 P r o p e r t i e so fW C 1 2 C oc o a t i n g sb y d i f f e r e n ts p r a yp r o c e s s e s 从图2 可看出超音速等离子和超音速火焰喷涂 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 涂层致密，界面结合良好，从图2 高倍图像可看出， 由A P S 喷涂的W C 硬质颗粒分布还是呈均匀分布， 且与金属C o 粘结较好，部分区域W C 颗粒疏松堆 积，表明A P S 喷涂层的致密性仍然较差。 从图3 可看出，原始粉末的X R D 衍射峰基本为 纯W C 和C o 相 图3 a ，而三种涂层都程度不同地 出现了w 2 C 相及C 0 6 w 6 C 1 2 相，说明W C 粉末在 热喷涂过程中均发生了一定的化学反应和相变。但 图3 d 和图3 b 的X R D 衍射图表明，由于H V O F 和 H E P J e t 射流速度的提高，W C 粒子在焰流中停留的 时间缩短，W C 的分解和脱碳现象明显减轻，而A P S 由于喷涂粒子速度较慢，和高温射流作用时间长，衍 射峰杂化现象明显高于两种超音速喷涂 图3 c ，说 明涂层的氧化、脱碳程度较严重，涂层的显微硬度、 结合强度也较低 参见表3 。 进一步分析表2 的试验数据可看出，三种工艺． 获得的W C ．1 2 C o 涂层的碳含量与原始粉末相比都 有一定程度的减少，说明有失碳发生，但普通等离子 喷涂层的失碳量和氧含量最高，这点和图3 的测试 结果是一致的。值得注意是，虽然H E P J e t 和 H V O F 喷涂层的失碳量相当，但前者氧含量 3 ．7 5 ％ 明显低于H V O F 5 ．7 5 ％ ，这显然与超音 速等离子射流主要为惰性和还原性气氛是密切相关 的。涂层氧化会促进W C 的分解帕J ，也会影响涂层 的性能和质量。 2 ．2 三种热喷涂方法制备W C ．1 2 C o 涂层的技术经 济分析 喷涂成本的计算参考值为W C 一1 2 C o3 2 0 元／ k g ，氩气8 0 元／瓶，氢气3 5 元／瓶，氧气1 6 元／瓶，丙 烷气1 1 0 元／瓶，电0 ．9 元／ k W h 。参照表1 可以 计算出每k g 涂层喷涂成本分别是 元 H E P J e t 5 1 0 、H V O F12 5 0 、A P S6 8 0 。结合表3 数据可知，超 音速等离子 H E P J e t 和超音速火焰 H V O F 喷涂制 备W C 一1 2 C o 涂层的主要性能指标基本处于同一水 平，但超音速火焰喷涂的成本约高于超音速等离子 喷涂1 倍以上。普通等离子 A P S 喷涂W C - 1 2 C o 涂层性能相比两种超音速喷涂涂层有较大差距，而 其喷涂成本虽然低于超音速火焰喷涂，但由于其沉 积效率较低 表1 ，成本略高于超音速等离子喷涂。 因此，三种喷涂方法中，超音速等离子喷涂制备 W C 一1 2 C o 涂层的技术经济指标最好。 3结论 最新开发的H E P J e t 超音速等离子喷涂技术在 制备有广泛应用前景的W C C O 涂层中，具有优异的 性能特点和显著的技术与经济优势，符合我国国情。 同时也表明我国自行研制的低功率、小气体流量、高 效能超音速等离子喷涂设备及其应用研究的水平， 已步入国际热喷涂技术的前沿。 参考文献 [ 1 ] Z i m m e r m a n nS ，K e l l e rH ，S c h w i e rG ．N e wc a r b i d eb a s e d m a t e r i a l sf o rs p r a y i n g [ A ] ／／．T h e r m a ls p r a y2 0 0 3 A d v a n c i n gt h es c i e n c e a p p l y i n gt h et e c h n o l o g y [ C ] ．O h i o ， U S A A s mi n t e r n a t i o n a l ，M a t e r i a l sP a r k ，2 0 0 3 2 2 7 2 3 3 ． [ 2 ] 王海军，刘向平，张平，等．高效能超音速等离子喷涂技 术【J ] ．新技术、新工艺，2 0 0 4 1 2 2 5 2 6 ． [ 3 ] M a r c e l i n oPN ，R e n a t oCS ，I v a n c yMM ，e ta 1 ．E f f e c t so f t u n g s t e nc a r b i d et h e r m a ls p r a yc o a t i n gb yH P ／H V O Fa n d h a r dc h r o m i u me l e c t r o p l a t i n go nA I S I4 3 4 0h i g hs t r e n g t h s t e e l [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 3 8 1 1 3 1 2 4 ． [ 4 ] 韩志海，徐滨士，王海军．三种超音速热喷涂工艺制备 W C - 1 2 C o 涂层的组织结构分析[ J ] ．中国表面工程， 2 0 0 5 3 2 3 2 7 ． [ 5 ] 王海军，蔡江，韩志海．超音速等离子与普通等离子喷 涂W C - C o 涂层冲蚀磨损性能研究[ J ] ．材料工程，2 0 0 5 4 5 0 5 4 ． [ 6 ] L iCJ ，O h m o r iA ，H a r a d aY ．E f f e c to fp o w d e rs t r u c t u r e o nt h es t r u c t u r eo ft h e r m a l l ys p r a y e dw G C oc o a t i n g s [ J ] ． J o u r n a lo fm a t e r i a l ss c i e n c e 。1 9 9 6 ，31 7 8 5 7 9 4 ． 万方数据