碳化鎢——超音速火焰噴涂的“黃金搭檔”

超音速火焰噴涂(HVOF)技術，是熱噴涂技術中的一種，其具有粒子飛行速度快、沉積速度快、結合強度大(大于70MPa) 、接近完全致密(孔隙率小于1%)等優點，得到了廣泛的應用，特別適合于制備碳化鎢系列金屬陶瓷耐磨涂層，在替代電鍍硬鉻方面具有獨特的優勢，其硬度、厚度、耐蝕性、耐鹽霧性、結合強度和服役溫度均高于電鍍硬鉻。

超音速火焰噴涂(HVOF)的原理是使用高壓水冷反應室和細長的噴射管將燃料與氧氣一起送入反應室燃燒，從而產生高壓火焰，然后燃燒的火焰在噴射管的作用下被壓縮并加速噴射，可以沿軸向或從噴射管的側面軸向噴射噴粉。該技術按照助燃劑的不同可分為氧氣超音速火焰噴涂（HVOF）和空氣超音速火焰噴涂（HVAF）。

01.碳化鎢：現代工業的“盔甲”

碳化鎢（WC）主要用于制造硬質合金，被譽為“現代工業的牙齒”。它的結構呈簡單的六方結構，晶胞為非中心對稱的結構，具有極高的微觀硬度和彈性模量，顯微硬度約為23GPa，彈性模量約為700GPa。作為噴涂材料，碳化鎢是工業界公認的“耐磨之王”，性能優勢無可替代：

首先，硬度與耐磨性頂尖。碳化鎢涂層的顯微硬度可達HV1200-1600（HRC70-75），僅次于金剛石和立方氮化硼，是高速鋼的3倍以上，耐磨性是普通硬鉻鍍層的5-10倍。

其次，化學穩定性與耐腐蝕性優異。碳化鎢化學性質惰性，可耐受酸、堿、鹽及硫化氫、氯離子等腐蝕介質，在石油、化工等惡劣環境中，能有效抵御介質侵蝕，避免基體被腐蝕破壞。

此外，高溫性能穩定。在800-1000℃的高溫環境下，碳化鎢仍能保持85%以上的硬度，不會因高溫軟化而失去防護能力。

最后，性能可定制化。通過調整粘結相（鈷、鎳）的比例（6%-20%），可平衡涂層的硬度與韌性，適配不同工況需求。

純WC粉是由W與C的混合物，在石墨管電爐中加熱到一定的溫度后碳化而成的。純WC粉的潤濕性較差，在2700℃開始分解形成W2C和C，再加上其本征顯脆性，因此不能直接用作熱噴涂材料，用于噴涂的WC必須和金屬材料進行復合。

WC粉常和Co、Ni-Cr、Ni及其它Ni基自熔性合金等組成復合粉末材料，復合材料中的主相（WC）提供高硬度和耐磨性能而塑性粘結相則提供必須的韌性。WC-Co是常用的WC系涂層材料具有良好的韌性但抗鹽霧腐蝕性能較差；WC-CoCr是在WC-Co上發展起來的，其特點是具有良好的抗腐蝕性能，具有抗疲勞和耐摩擦磨損性能。

從外型看，球形粉末流動性和噴涂性能良好，在焰流中能夠均勻熔化；從粉末的潔面形貌可見，粉末均勻，制備的涂層均勻性好。

碳化鎢粉末SEM形貌

02.為何是黃金搭檔？

涂層性能的主要劣化因素是脫碳。一旦工藝參數不當（如火焰溫度過高、燃料/氧比例不當、送粉率過低），就會發生不同程度的脫碳。脫碳產物W2C脆性大，而游離碳（石墨）的存在會削弱涂層韌性和結合強度，導致涂層在服役過程中提前剝落失效。

而碳化鎢與超音速火焰噴涂的“黃金搭檔”關系，恰好高度互補，實現了“1+1>2”的效果。

對于WC基等對熱敏感的材料，HVOF（超音速氧氣火焰噴涂）及其衍生技術HVAF（超音速空氣火焰噴涂）被公認為是最佳的工藝選擇。其技術優勢源于其獨特的“低溫高速”特性：

1）高速：燃燒產生的超音速焰流（速度常超過2000m/s）賦予粉末顆粒極高的動能。顆粒以巨大能量撞擊基體，產生強烈的“鍛擊”效應，從而形成極其致密、結合強度高的涂層。

2）低溫（相對APS而言）：HVOF/HVAF的火焰溫度通常控制在2000-3000 ℃，且顆粒在焰流中停留時間極短（<1 ms）。這可以將WC顆粒的溫度精確控制在剛好使金屬粘結相（Co）熔化，而高熔點的WC顆粒保持固態或輕微熔融的狀態，從而最大限度地抑制了WC的脫碳分解反應：WC→W2C+C以及WC+O2→WO3+CO2

HVAF使用壓縮空氣代替氧氣作為助燃劑，其燃燒溫度更低（約1600-2000 ℃），而顆粒速度更高。因此，在抑制WC脫碳方面，HVAF通常表現出比HVOF更優異的效果，尤其適用于噴涂納米結構或超細結構的WC-Co粉末。

03.應用廣泛，全面防護

• 航天航空領域

在航天航空領域，超音速火焰噴涂碳化鎢已經在航空領域得到了大量的應用，其占比例達到35%，主要應用于渦輪葉片、發動機封嚴件等部件，解決高溫磨損、氧化問題，延長部件使用壽命。

國內已有機構成功將超音速火焰噴涂技術應用在直升機航空傳動系統中，包括：旋翼軸、行星齒輪架、中尾槳轂尾減輸出法蘭盤、內側壓板、尾槳軸、尾減輸入齒輪、尾減輸出動密封座等近20 種關鍵部件。

• 機械制造領域

在機械制造行業，液壓柱塞、模具、瓦楞輥、汽車發動機精密刀具等，對表面精度和耐磨性要求極高。超音速火焰噴涂涂層接近致密，耐磨性好，能夠滿足不同材質冷沖模具的要求；在分體式還是整體式模具上均可制備碳化鎢等硬質耐磨涂層；在其上制備硬質耐磨涂層，可增加模具設計的自由度，縮短設計和制造周期。

在軸、棍類零部件在使用過程中，經超音速火焰噴涂并經過磨削、拋光等工序制備了100μm的WC－Co涂層，使用15月后，光潔度仍保持原始狀態，而原始輥輪需0.5～4月精磨一次才能維持原有的光潔度。

碳化鎢噴涂輥筒，來源：智川云層

• 石油化工領域

在石化行業中可采用熱噴涂加工技術進行表面修復的工件有很多，如油泵柱塞、石油裝備偏心輪、閥桿、閥座、扶正器、卡爪等工件。閥桿、閥座等這類工件都可以采用超音速火焰噴涂工藝進行噴涂修復，噴涂材料比較廣泛，可選用碳化鎢,涂層硬度能達到HV1100，結合強度＞70MPa等。

唐曌肸：超音速火焰噴涂金屬碳化鎢涂層的抗汽蝕與抗沖蝕性能研究

姬壽長等：超音速火焰噴涂碳化鎢技術及應用現狀

趙魯寧等：等離子與超音速火焰噴涂碳基涂層技術研究進展