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。

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。

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。

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。

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。

HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层的砂浆冲蚀行为

以2种不同的HVOF喷涂系统和3种商用粉末在0Cr13Ni5Mo基材上喷涂6种WC–10Co–4Cr涂层,用自行研制的料浆罐冲蚀设备对涂层和基材的砂浆冲蚀行为进行了研究,分析了显微结构和显微硬度对涂层冲蚀性能的影响及涂层冲蚀后的表面形貌。结果表明,在文中试验范围内涂层和基材的冲蚀失重均随冲蚀时间线性增加;各攻角下,WC–10Co–4Cr涂层的耐冲蚀性远远优于0Cr13Ni5Mo不锈钢;除了分层和裂纹明显的涂层,HVOF热喷WC–10Co–4Cr涂层的冲蚀失重表现出对攻角不敏感的特征。涂层的冲蚀机制为粘结相的微切削和涂层片状剥落,低攻角下的剥落坑面积大而浅,高攻角时面积小而深,片状剥落的程度随涂层气孔率的增加而增加。

HVAF和HVOF喷涂WC-CoCr涂层的组织性能对比

WC-CoCr涂层的组织结构和抗冲蚀性能主要取决于喷涂工艺。采用活化燃烧-超音速火焰喷涂(HVAF)和传统超音速火焰喷涂(HVOF)2种工艺喷涂WC-CoCr涂层,并对这2种WC-CoCr涂层的组织结构和抗冲蚀性能进行对比。结果表明:HVAF涂层孔隙率为0.2%,而HVOF涂层孔隙率为2.3%,与HVOF相比,HVAF涂层具有较低的孔隙率及表面粗糙度,涂层组织结构更均匀;HVAF过程中,WC颗粒在沉积过程中破碎,WC颗粒细小,HVAF焰流中WC的分解程度弱于在HVOF焰流中的分解程度;HVAF涂层平均硬度达到1 450HV0.3,在15°攻角下,其抗冲蚀阻力比HVOF涂层提高了59.4%,比0Cr13Ni5Mo基体提高了104.1%;90°攻角下,HVAF涂层的抗冲蚀阻力比HVOF涂层提高了16%。

HVOF喷涂纳米结构WC-12Co涂层的抗汽蚀性能

采用超音速火焰喷涂(HVOF)分别制备了微米及纳米结构WC-12Co金属陶瓷复合涂层,采用超声振动汽蚀装置研究了涂层的抗汽蚀性能,使用SEM微观分析的方法对蚀坑形貌进行了观察,并对汽蚀机理做了初步的探讨.结果表明:纳米结构WC-12Co涂层显示了优异的抗汽蚀性能,汽蚀率仅为微米涂层的1/3,涂层中纳米结构的存在是涂层抗汽蚀性能提高的主要因素.

HVOF喷涂WC-12Co涂层性能及磨蚀机理

为提高水力机械表面抗磨蚀性能,采用超音速火焰喷涂(HVOF)喷涂微米粉末制备WC-12Co涂层,测试了涂层的显微硬度、孔隙率、结合强度及抗磨蚀性能。利用XRD表征了涂层的物相组成,并利用SEM分析了涂层的微观组织结构及磨蚀后的表面形貌,探讨了涂层在含沙水流中的磨蚀机理。结果表明,获得的WC-12Co涂层的孔隙率为0.83%,平均显微硬度达1189.7HV0.2,结合强度大于62MPa,其耐磨蚀性能是基体的3倍以上,有效提高基体的耐磨蚀性能。在含沙水流中的磨蚀主要是由沙粒冲蚀和气体气蚀所引起的。

超音速火焰(HVOF)喷涂Fe-Cr基涂层的组织与耐蚀性

采用多元Fe—cr基合金（含Si、Mn、B等）作为喷涂粉末，用JP-5000超音速火焰喷枪在不锈钢基体上制备厚度约200μm的Fe基涂层。采用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜对涂层的组织结构进行了观察和分析，采用盐雾试验箱对涂层的耐蚀性进行了初步研究。结果表明，涂层主要由非晶、bcc晶体结构的纳米晶及微米级硼化物组成；非晶基体产生了明显晶化，形成了胞状bcc结构的纳米仪．Fe，其尺寸约为10～30nm^3，涂层致密，孔隙率约为1％。涂层的耐盐雾腐蚀的性能明显高于1Cr18Ni9Ti不锈钢。前者主要为孔蚀，后者主要为晶间腐蚀。