等离子喷涂WC-Co涂层的脱碳机理研究

论文摘要

热喷涂制备WC-Co涂层已经在航空航天、发电、冶金等行业中得到了广泛的应用，具有成本低，沉积效率高等很多优点。然而在喷涂过程中过高的温度和氧化性气氛会导致WC脱碳分解，生成的脆性相严重地降低了涂层的耐磨性能。本文采用大气等离子喷涂技术，以WC-12Co为原始粉末，运用X射线衍射仪，扫描电子显微镜，X射线光电子能谱仪，高温差示扫描量热仪等设备对水收集喷涂粒子，扁平粒子和涂层进行了深入的研究，以了解喷涂过程中发生的物相反应和微观结构演变。结果表明粒子在飞行过程中的受热状态差异是导致涂层结构不均匀的主要因素。等离子喷涂WC-Co涂层存在很多缺陷，在喷涂过程中大部分WC颗粒发生了严重的相变分解，生成W2C，金属W和参与形成Co基固溶体，并且涂层中还存在很多非晶相。等离子喷涂WC-Co过程中主要有两种脱碳分解机制：粒子表面的WC颗粒直接被氧化脱碳；内部的WC颗粒在高温下受热分解并溶解进入液相Co基体中，C元素从Co基体中不断扩散至粒子表面而被氧化。W2C和金属W既可以是在粒子飞行过程中由表面的WC颗粒直接氧化脱碳生成，也可以是在粒子冷却过程中从缺碳的液相中沉淀析出。涂层中的W2C沿着WC颗粒的界面外延生长并呈现出包覆结构，而金属W则大多分布在扁平粒子边缘处。根据液相成分的不同还可以析出相和γ相。等离子喷涂WC-Co的喷涂工艺参数以及原始粉末特性都对喷涂过程中的脱碳行为产生影响。通过XRD定性分析和Rietveld定量分析方法进行了对比研究，结果表明喷涂功率越大，脱碳程度越严重，并且涂层的显微硬度值也随之下降。在喷涂距离为8cm时脱碳程度最小，只有37%的WC颗粒发生了分解。随着喷涂距离的增加，越来越多的WC颗粒发生了脱碳分解。在空冷条件下WC颗粒几乎消失殆尽。采用Co包覆粉会比单独喷涂WC粒子脱碳程度要小10个百分点左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 等离子喷涂技术简介
• 1.1.1 等离子喷涂原理
• 1.1.2 等离子喷涂的特点和应用
• 1.1.3 等离子喷涂涂层的结构
• 1.1.4 等离子喷涂技术的展望
• 1.2 碳化钨钴金属陶瓷涂层
• 1.2.1 WC 的性质
• 1.2.2 金属 Co 的性质
• 1.2.3 热喷涂 WC-Co 陶瓷粉末的制备方法
• 1.2.4 热喷涂 WC-Co 涂层的应用
• 1.3 等离子喷涂 WC-Co 涂层的研究现状
• 1.3.1 影响等离子喷涂 WC-Co 涂层性能的主要因素
• 1.3.2 等离子喷涂 WC-Co 涂层的脱碳机理
• 1.3.3 热喷涂 WC-Co 涂层性能的改善
• 1.4 本课题的选题背景、意义及主要研究内容
• 第二章 实验条件及测试方法
• 2.1 实验条件
• 2.1.1 喷涂材料
• 2.1.2 喷涂设备
• 2.1.3 基体表面处理
• 2.1.4 涂层的制备
• 2.1.5 喷涂粉末和扁平粒子的收集
• 2.2 样品的物相组成和微观结构分析
• 2.2.1 金相试样的制备
• 2.2.2 试样的物相组成分析
• 2.2.3 涂层的晶化转变测定
• 2.2.4 XPS 测定样品的表面价态
• 2.2.5 样品的微观形貌分析
• 2.3 涂层显微硬度的测定
• 第三章 喷涂过程中的物相反应和微观结构演变
• 3.1 定性物相分析
• 3.2 微观结构演变
• 3.2.1 粒子在飞行过程中的行为变化
• 3.2.2 粒子的扁平化过程
• 3.2.3 扁平粒子堆积形成涂层
• 3.3 本章小结
• 第四章 等离子喷涂 WC-Co 的脱碳机理和相变产物形成机制
• 4.1 等离子喷涂 WC-Co 脱碳机理分析
• 4.1.1 粒子表面 WC 颗粒的直接氧化分解
• 4.1.2 粒子内部 WC 颗粒的脱碳分解
• 4.2 液相中相变产物的沉淀析出
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 W2C 和单质 W 的沉淀析出
• 4.2.3 γ相和相的沉淀析出
• 4.2.4 喷涂过程中脱碳产物的沉淀析出模型
• 4.3 本章小结
• 第五章 等离子喷涂 WC-Co 脱碳程度的影响因素
• 5.1 喷涂工艺参数的影响
• 5.1.1 喷涂功率的影响
• 5.1.2 喷涂距离的影响
• 5.2 Co 的包覆对脱碳程度的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢