超音速火焰喷涂(HVOF)多相流瞬时演化机理及敏感性分析

以航空煤油为燃料的超音速火焰喷涂(HVOF)技术在制备WC-Co涂层方面具有独特优势。目前对HVOF热喷涂稳态过程的研究无法揭示燃料液滴在燃烧室中的动态燃烧行为。液体燃料进入燃烧室前需要雾化,量化揭示燃料燃烧反应瞬时演化机理是优化喷涂工艺的关键。基于JP5000喷枪建立HVOF热喷涂过程瞬时演化数值模型。将煤油液滴破碎、气化过程、燃烧反应焰流与喷涂粒子直接耦合。采用双向耦合欧拉-拉格朗日方法跟踪连续相和离散相,以realizable k-ε湍流模型、一步反应涡耗散模型(EDM)表述喷涂燃烧焰流特性。通过KHRT(Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor)破碎模型描述航空煤油液滴破碎过程。基于可靠性理论,综合分析煤油液滴直径、氧气/燃料比率及反应物质量流量对喷涂粒子飞行行为的影响。结果表明:氧气/燃料比率对粒子温度影响程度最大,煤油液滴直径对粒子速度影响最大。HVOF瞬时演化模型可以直观呈现燃料的动态行为及喷涂粒子的飞行特性,可为优化热喷涂工艺提供参考和理论支撑。

Ni-WS_(2)/MoS_(2)包覆WC-12Ni粉体对HVOF涂层摩擦磨损性能的影响

以化学共沉积Ni-WS_(2)/MoS_(2)包覆WC-12Ni粉体为原料,在17-4PH不锈钢基体上制备了超音速火焰喷涂(HVOF)涂层。采用场发射扫描电子显微镜对涂层组织结构进行表征,分别通过测定涂层的显微硬度、摩擦系数和磨损率,并结合粉体特征及涂层的孔隙结构分析来评价涂层摩擦学性能。实验结果表明,通过化学共沉积包覆喷涂粉体引入固体润滑剂,不仅能保证喷涂粉体的流动性,还能实现较均匀固体润滑剂掺杂,显著降低涂层孔隙率、提高致密化程度,获得低摩擦系数、低磨损率以及提高的涂层硬度和耐磨性。其中,由于WS_(2)与WC硬质合金有更好的成分相容性,WC-Ni-WS_(2)涂层的减摩耐磨性能要优于WC-Ni-MoS_(2)涂层。

稀土改性WC-10Co-4Cr HVOF热喷涂涂层的制备及力学性能

为提高WC-10Co-4Cr热喷涂涂层性能,制备了添加0.2wt.%纳米Pr_(6)O_(11)的WC-10Co-4Cr热喷涂粉末及其高质量涂层,并研究了纳米Pr_(6)O_(11)对WC-10Co-4Cr涂层的影响。采用团聚烧结法制得纳米Pr_(6)O_(11)弥散分布WC-10Co-4Cr热喷涂粉末,并利用JP8000超音速火焰喷涂设备在304不锈钢基体表面制备了Pr_(6)O_(11)改性WC-10Co-4Cr致密涂层,通过ICP-MS、XRD、XPS、SEM和显微硬度计等对热喷涂粉末及其HVOF涂层进行了微观表征和力学性能测试。与未加稀土的空白对照样相比,添加微量纳米Pr_(6)O_(11)的WC-10Co-4Cr(Pr_(6)O_(11))HVOF热喷涂涂层综合力学性能得到有效改善,其平均努氏硬度达到1267.85 HK,平均弹性模量达到363.8 GPa,平均断裂韧性达到4.51 MPa·m^(1/2),这得益于添加纳米Pr_(6)O_(11)使涂层微观组织更加致密、细小、均匀。

F92阀芯件表面HVOF制备NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层高温摩擦磨损性能研究

采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)在F92阀芯材料表面制备NiCr-Cr_(3)C_(2)单层和NiCr+NiCr-Cr_(3)C_(2)双层涂层。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度计、高温摩擦试验机等探究了两类涂层的显微形貌、相结构、力学及高温摩擦学性能。结果表明:两种涂层成分均匀、结构致密。其中,单层涂层的表面硬度较低(810.19±22.74 HV),且摩擦系数范围由低温的0.4~0.9到高温的0.3~0.7,磨损率从3.19×10^(-6)mm^(3)/(N•m)到3.06×10^(-5)mm^(3)/(N•m),单层涂层在高温下(630℃)表现出更为优异的耐磨性能;双层涂层具有较高的表面硬度(869.68±44.12 HV),且摩擦系数受摩擦往复频率影响在0.4~0.8波动,磨损率维持在2.5×10^(-5)mm^(3)/(N•m)左右,受磨损频率因素影响较小,更能适用于频率频繁变换(1 Hz~5 Hz)的服役环境中。C析出生成的Cr7C3与高温氧化生成的Cr2O3之间的协同作用能够提高涂层的高温摩擦磨损性能,磨损机理分析表明:两种涂层的高温摩擦磨损形式相似,整个磨损过程由磨粒磨损、黏着磨损构成。

渗氮处理对HVOF喷涂Al_(1-x)CoCrFeNiTi_(x)(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构和磨损性能的影响

为了研究渗氮处理对HVOF喷涂Al_(1-x)CoCrFeNiTi_(x)(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构和磨损性能的影响,采用HVOF技术在35CrMo钢基体上制备Al_(1-x)CoCrFeNiTi_(x)(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层,然后对其进行渗氮处理。利用SEM、XRD、三维白光干涉仪以及EDS等表征手段研究了渗氮处理对HVOF喷涂Al_(1-x)CoCrFeNiTi_(x)(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构和磨损性能的影响。结果表明:渗氮处理后的Al_(1-x)CoCrFeNiTi_(x)(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构致密,具有典型的热喷涂层状结构,厚度约为300~350μm,氮化层厚度约为10μm,氮化层相结构为FCC相和AlN、CrN等氮化物相,氮化层的显微硬度分别为981 HV_(2 N)(x=0)、1090 HV_(2 N)(x=0.125)和1194 HV_(2 N)(x=0.250),和未经渗氮处理过的高熵合金涂层的显微硬度479 HV_(2 N)(x=0)、506 HV_(2 N)(x=0.125)、548 HV_(2 N)(x=0.250)相比有着显著的提升;并且随着Ti含量的增加,氮化层的耐磨性增加,其中Al_(0.750)CoCrFeNiTi_(0.250)氮化层具有最优异的耐磨性能(2.17×10^(-6)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1))。Al_(1-x)CoCrFeNiTi_(x)(x=0,0.125,0.250)氮化层的磨损失效机理主要是磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损。

喷涂距离对内孔HVOF喷涂纳米WC-10Co4Cr涂层组织及抗泥沙冲蚀性能的影响

利用内孔氧-丙烷超音速火焰喷涂技术在ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢基材表面制备纳米WC-10Co4Cr涂层,分别通过45°和90°两种内孔喷枪研究了喷涂距离对涂层宏/微观组织及抗泥沙冲蚀性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)测试分析了涂层的物相成分,利用扫描电子显微镜(SEM)观察了涂层截面的微观形貌,并结合金相显微镜分析了孔隙率;通过维氏硬度计测试了涂层的显微硬度,利用粗糙度仪和光学轮廓仪表征了涂层表面的粗糙度及三维形貌;采用泥沙冲蚀磨损试验机对比研究了涂层与不锈钢基材的抗泥沙冲蚀性能,并结合SEM分析了冲蚀磨损机理。研究发现,45°和90°两种内孔喷枪所制备纳米WC-10Co4Cr涂层主要物相成分均为WC、W_(2)C和非晶态CoCr合金相,未受到喷涂距离的影响。短喷涂距离会导致涂层孔隙缺陷的产生,孔隙率随着喷涂距离的增大先下降后上升。喷涂距离对90°喷枪所制备涂层显微硬度的影响较小,而45°喷枪在喷涂距离增大到150 mm以后涂层硬度有下降趋势,两者最高硬度分别为1343.1 HV0.2和1275.4 HV0.2;对于两种喷枪,短喷涂距离会导致涂层表面产生凸起团聚颗粒,粗糙度随着喷涂距离的增大而降低。涂层抗泥沙冲蚀性能随喷涂距离的增大先升高而后逐渐下降,45°和90°内孔喷枪喷距分别为200 mm和250 mm时所制备涂层的抗泥沙冲蚀性能达到最高,分别是基材的7.03倍和8.05倍。WC-10Co4Cr涂层的泥沙冲蚀磨损机制主要是交变应力下的疲劳剥落,基材则为均匀的泥沙微切削。

不同环境中HVOF喷涂WC-Ni和WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层的耐腐蚀性能

利用超音速火焰(HVOF)喷涂技术制备了WC-Ni和WC-Cr_(3)C_(2)-Ni两种金属陶瓷涂层,并采用电化学工作站对涂层在不同环境中的耐腐蚀性能进行了表征。结果表明:WC-Ni涂层和WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层在1mol·L^(-1)NaOH溶液的耐腐蚀性均低于在1mol·L^(-1)HCl溶液中的耐腐蚀性。WC-Ni涂层和WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层在1mol·L^(-1)HCl和1mol·L^(-1)NaOH溶液中均产生钝化现象,涂层表面的钝化膜有助于其耐腐蚀能力的提升。WC-Ni涂层在1mol·L^(-1)HCl溶液的耐腐蚀性高于WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层,而在1mol·L^(-1)NaOH溶液中耐腐蚀性低于WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层。

喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对TC18钛合金疲劳性能的影响

为了探讨喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe(TC18)钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制,利用X射线衍射仪(XRD)、表面粗糙度仪、显微硬度计、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线应力测试仪等分析了喷丸、喷砂及其复合超音速火焰喷涂(HVOF)WC-17Co涂层的表面完整性,利用旋转弯曲疲劳试验机研究了上述表面处理对TC18钛合金疲劳性能的影响规律。结果表明,喷丸预处理比喷砂预处理能够使TC18钛合金表面获得更好的表面完整性,因而显著提高了TC18钛合金的疲劳抗力,而喷砂处理对TC18钛合金疲劳抗力无明显影响。喷丸后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳寿命提高6倍,原因归于喷丸层内仍保留数值较大、分布较深的残余压应力,有效延缓疲劳裂纹的萌生和早期扩展。喷砂后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳抗力显著降低,原因是HVOF过程的高温效应使喷砂层内残余压应力场松弛,使喷砂表面缺口效应和损伤的不利影响作用突显,加之WC-17Co涂层韧性低、表面粗糙度大、存在孔洞型缺陷,不利于抗疲劳性能。

基于替代电镀硬铬的WC增强金属复合涂层疲劳性能的研究现状

传统电镀硬铬涂层存在网纹裂纹缺陷、抗疲劳性能不足以及环境污染严重等问题,针对新一代航空工业急需新技术替代传统电镀硬铬这一迫切需求,研发新型的耐磨耐蚀涂层体系及其先进环保的再制造技术迫在眉睫。根据先进涂层技术的发展情况,研发出了基于高温熔化-凝固技术的物理气相沉积、超音速火焰喷涂以及激光熔覆技术,这在绿色制备航空工业用耐磨耐蚀涂层上表现出了一定的应用前景,并表现出了比传统电镀硬铬更长的疲劳寿命,但其仍存在内应力过高而开裂、粉末氧化或相变导致疲劳性能下降等一系列关键问题。近年来,冷喷涂涂层技术作为先进环保的新技术,凭借其低温固态沉积特性在制备金属基复合涂层上展现出了显著的冶金优势,其中冷喷涂涂层的残余压应力有助于提高零件的疲劳性能。此外,从起落架防护涂层沉积到其修复再制造环节,冷喷涂技术均可参与其中。因此,作为固态沉积工艺的冷喷涂,其在替代传统电镀铬的新型涂层制备工艺方面具有显著的应用潜力,未来的研究将集中于优化冷喷涂涂层材料和工艺上,以进一步提高其力学性能和疲劳性能。

超声速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对TC11钛合金耐磨性和耐蚀性的影响

采用超声速火焰喷涂(HVOF)工艺,在随钻仪器零件常用材料TC11钛合金表面制备金属陶瓷涂层WC-10Co4Cr,利用冲击试验机测量喷涂前后钛合金的冲击韧性,使用磨粒磨损试验机测定涂层的耐磨性,采用电化学测试分析涂层的耐蚀性。结果表明:HVOF工艺对TC11钛合金的组织和性能影响较小,与未喷涂的钛合金相比,界面处基体的显微组织和显微硬度没有明显变化,冲击韧性稍有提高;HVOF工艺稳定可靠,涂层呈片层结构,致密度高,涂层的孔隙率为2.55%,硬度达到1400 HV,涂层主要由WC和W2C相组成,其与基体结合良好,为机械结合;金属陶瓷涂层能够显著改善钛合金的耐磨性和耐蚀性,喷涂涂层钛合金的磨损量是未喷涂钛合金的1.56%,喷涂涂层钛合金的磨损机制是磨粒磨损,未喷涂涂层钛合金磨损机制是磨粒磨损+黏着磨损。

超音速火焰喷涂TiB_(2)-Co涂层组织与性能研究

采用机械合金化技术制备TiB_(2)-Co金属陶瓷复合粉末,通过超音速火焰喷涂技术制备TiB_(2)-Co金属陶瓷涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)观察TiB_(2)-Co金属陶瓷涂层的微观结构特征,并对涂层进行显微硬度、磨粒磨损和磨损形貌测试,以评价涂层的性能。结果表明,涂层表面存在完全熔化区和部分熔化区;涂层呈典型的叠层状结构,与基材结合良好;涂层的硬度明显高于基体金属,是基体金属的4.5倍;磨损失重量仅为基体金属的14;涂层磨损试样表面存在空穴和犁沟,其磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损。

基于硬质WC涂层的不同摩擦副间的摩擦磨损特性及损伤机制研究

目的探究硬质WC-12Co涂层与摩擦副间的力学性能、摩擦磨损特性的对应关系。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备WC-12Co硬质涂层,利用SEM、XRD、EDS等分析涂层的微观形貌、物相组成和元素分布规律等,研究该涂层与不同对偶配副的摩擦学性能及摩擦磨损机理等。结果采用HVOF技术制备的WC-12Co涂层中各元素及物相分布均匀,涂层的显微硬度约为1103.8HV0.3,纳米硬度约为20.47GPa。涂层和不同对偶配副的干摩擦因数均在0.80以上,磨损率在10^(-6)mm^(3/)(N·m)量级,其中与Al_(2)O_(3)对偶球配副时摩擦因数(约0.81)最低,与WC-6Co对偶球配副时摩擦因数(约0.85)最大,在与Al_(2)O_(3)配副时磨损率最大,约为11.09×10^(-6)mm^(3)/(N·m),与GCr15配副时磨损率最小,约为1.60×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。结论硬质WC-12Co涂层致密均匀,其力学性能优异,与不同材质对偶球配副时其磨损机制有所不同,导致摩擦副间的摩擦因数和磨损率略有差异,但其耐磨性均良好,可以根据实际应用工况特点选择不同的摩擦副,以保证硬质碳化钨涂层的安全稳定长效服役。

HVOF喷涂纳米结构WC-12Co涂层的组织结构分析

纳米结构WC-12Co涂层的研究目前已受到了广泛重视,对其组织结构及影响因素的研究有利于提高涂层性能。采用HVOF工艺制备了纳米结构、多峰结构及普通微米结构3种WC-12Co金属陶瓷复合涂层,并采用SEM、XRD等对粉末及涂层的显微形貌、组织结构进行了分析;探讨了粉末在喷涂过程中的氧化脱碳机理,并指出了与之相关的影响因素。结果表明:纳米结构WC-12Co涂层结构致密,孔隙率低,与基体结合状态良好;纳米粉末在喷涂过程中比微米粉末氧化失碳严重,并发生了不同的纳米晶粒的长大;纳米粉末在喷涂过程中的氧化脱碳程度不仅与喷涂工艺有关,还在很大程度上取决于粉末本身的结构特性。

HVOF喷涂纳米WC-12Co涂层的性能研究

为促进HVOF喷涂纳米WC–12Co涂层在工业上的应用,采用HVOF喷涂法分别制备了纳米和微米结构WC–12Co涂层。研究了涂层的结合强度,测试了两种涂层的显微硬度及耐冲蚀磨损性能,并利用扫描电镜对喷涂粉末、涂层显微组织、冲蚀表面形貌进行了分析。研究结果表明:两种涂层中纳米涂层显微硬度是普通涂层的1.5倍,最高达到1610HV,纳米涂层中WC颗粒的分布更均匀,冲蚀率是微米级涂层的1/2左右,性能更优越。

喷砂预处理对HVOF喷涂TiAl-Nb/NiCrAl涂层结合强度的影响

采用不同的喷砂压力对基体表面进行喷砂预处理,研究了基体表面状态的变化对HVOF喷涂TiAl-Nb/NiCrAl涂层结合强度的影响。结果表明:随着喷砂压力的增大,基体粗糙度及表面凹坑的深度和宽度增大,NiCrAl层与基体结合界面处孔洞等缺陷增多,同时基体表面残余砂粒的面积分数增加;涂层结合强度随基体粗糙度的增大,先增大后减小,当基体粗糙度为8.33μm时,结合强度达到最大值44.5 MPa。

热处理对HVOF WC-17Co涂层组织结构及耐磨性能的影响

采用超音速火焰喷涂技术在42Cr Mo钢表面制备了硬质WC-17Co耐磨涂层,分别在500,700,900,1 100℃保温1 h进行热处理,进而研究了热处理温度对涂层微观组织、相组成、硬度以及耐磨性能的影响。实验结果表明:随着热处理温度的升高,W2C相逐渐减少而非晶态的Co发生再结晶生成Co3W3C和Co6W6C;硬度呈现先升高后降低的趋势,700℃热处理后,WC硬质相增多,硬度最高;喷涂态WC-17Co涂层的耐磨性较差,900℃热处理后,析出的Co6W6C细小且弥散均匀分布,涂层的磨损量最小、耐磨性最好。

HVOF热喷WC-Co-Cr涂层在不同攻角下的料浆冲蚀行为

用3种高速火焰热喷涂(HVOF)设备将成分相同的6种商品粉末喷涂在0Cr13Ni5Mo不锈钢基材上,制成9种WC-Co-Cr涂层。用自制射流冲蚀试验机对各涂层在15°、45°、75°和90°攻角下的料浆冲蚀行为进行研究,重点分析涂层孔隙和层状结构等缺陷在不同攻角下所起的作用。结果表明:低攻角时涂层冲蚀机制以微切削去除为主,高孔率涂层更易发生切削导致冲蚀率较高;高攻角时涂层冲蚀机制以冲击作用下裂纹萌生扩展导致涂层剥落为主,高孔率涂层有利于对冲击能量的吸收耗散,孔隙抑制裂纹扩展,而层状结构明显的涂层其裂纹更易在层间萌生和扩展,导致涂层呈片状剥落,冲蚀率更高。在试验的基础上提出了考虑缺陷的硬质涂层射流冲蚀模型,并讨论了涂层冲蚀率随攻角变化的双峰值现象。

超音速火焰喷涂410不锈钢涂层组织结构及摩擦学行为研究

采用超音速火焰喷涂技术制备氧燃比为4.36、4.91及5.51的410不锈钢涂层,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和显微硬度仪分析表征涂层微观组织结构及力学性能.研究微观组织结构和粉末沉积特性对涂层在干滑动摩擦条件下磨损性能的影响.结果表明:随着氧燃比的升高,涂层结构变得均匀致密,涂层孔隙率由0.71%下降至0.38%,涂层显微硬度略下降约1%.随着氧燃比的增加,涂层磨损率从17.96×10^(-6) mm^(3)/(N·m)下降至9.35×10^(-6) mm^(3)/(N·m),涂层耐磨性能升高,并且稳定磨损阶段涂层主要磨损机制从分层磨损和磨料磨损转变为氧化磨损和轻微磨料磨损.当氧燃比为5.51时,涂层具有较低的孔隙率和均匀的微观结构,涂层的分层磨损倾向更低.

超音速火焰(HVOF)喷涂过程中颗粒行为数值模拟的研究进展

介绍了近年来描述HVOF喷涂过程中颗粒行为的数学模型,并结合不同粉末的特点给出了相应的模型修正。简要总结了数值模拟的研究成果,从颗粒的尺寸、形貌、密度及喷涂距离等方面分析了不同工艺参数对喂料颗粒在喷涂过程中状态变化的影响以及与涂层组织和性能之间的关系,从而为深入了解HVOF喷涂工艺的特点提供了一条有效途径,也为热喷涂的模拟研究提供了一些参考和借鉴。

超音速等离子与HVOF喷涂WC-Co涂层的冲蚀磨损性能研究

用超音速等离子喷涂(HEPJet)和两种进口高速氧燃气火焰喷涂(HVOF)设备(JP-5000和DJ-2700)制备WC-Co涂层,进行了孔隙率、显微硬度、结合强度及30°和90°攻角的冲蚀磨损对比实验,分析了涂层的SEM磨损形貌。结果表明,超音速等离子喷涂WC-Co涂层综合性能与JP-5000喷涂WC-Co涂层相当,优于DJ-2700;在30°冲蚀磨损条件下,WC-Co涂层的失效行为表现为疲劳剥落和微切削两种特征;在90°冲蚀磨损时,涂层的失效主要是垂直表面的磨粒冲击力导致涂层疲劳剥落。