雾化温度对热喷涂碳化钨粉末形貌影响的研究
羊建高，戴煌，谭兴龙等
2009全国粉末冶金学术会议
摘要：碳化钨具有高熔点、高耐磨性，广泛用作为热喷涂材料。现用的热喷涂碳化钨粉末通常采用铸造方法生产，粉末呈多角状，流动性差，难以满足高性能热喷涂材料的要求。本研究提出“超高温熔炼惰性气体雾化制备球形破化钨”工艺思想，采用自行设计、制造的超高温熔炼及超高温雾化装备，制备出球形碳化钨粉末。系统研究了不同雾化温度(过热度)对制备球形碳化钨粉末的影响规律。
关键词：碳化钨;高温雾化;球形粉末;热喷涂
1前言
碳化钨粉末具有高熔点、高耐磨性，作为一种重要的热喷涂材料，正在宇航、电子信息、电力、能源、石油、化工、冶金、机械等工业领域中发挥着越来越重要的作用。早在20世纪70年代，美国制造航空发动机的惠普(WQP)公司，在所生产的JDS航空发动机上使用了碳化钨等48种金属粉末对2800多个零部件进行热喷涂，使发动机的大修期由4000小时提高到24000小时。“北极星”导弹的第一级喷嘴采用高纯石墨制造，在石墨上喷涂钨金属粉末作为保护层，能经受33巧℃固体推进剂燃料燃烧产生的超音速排气流冲蚀。喷涂后的导弹喷嘴，比未喷涂的寿命提高100倍以上。
现用的热喷涂碳化钨粉末通常采用铸造方法生产，粉末呈多角状，流动性差，难以满足高性能热喷涂材料的要求。球形碳化钨粉末由于其制备技术的独特性和优异的使用性能，已引起国内外市场和研究者的密切关注。本研究提出“超高温熔炼惰性气体雾化制备球形碳化钨”工艺思想，采用自行设计、制造的超高温熔炼及超高温雾化装备，在其它参数一定的条件下，研究了不同雾化温度(过热度)对制备球形碳化钨粉末的影响规律。
2实验过程与方法
热喷涂用碳化钨的熔点为2535℃，碳含量约3.7wt%(碳原子百分数37%)，其相图见图1。它是由碳化钨与碳化二钨组成的共晶体。将用自行研制的超高温熔炼及超高温雾化装置并分别在2700℃、2500℃、2900℃和3000℃进行雾化制粉，采用扫描电镜对粉末的形貌进行了观察，用霍尔流量计针对粉末的流动性进行了测量，采用筛分法对粉末进行了分级处理。
3实验结果与讨论
3.1雾化温度对粉末形貌的影响
图2、图3、图4、图5分别为2700℃、2800℃、2900℃、3000℃雾化时得到的碳化钨粉末形貌照片。从图2~图5可以看出，在2700℃以上的温度条件下可以制得球形碳化钨粉末。2700℃雾化时，尚有部分粉末未球化，即使已经球化的颗粒形貌也不规则，表面粗糙不平;2800℃时，大部分粉末已球化。比较图2一图5可以发现，在2700℃至3000℃条件下，随雾化温度增加，粉末球化率提高，颗粒表面光洁，形貌趋好。
3.2雾化温度对粉末球化率和流动性的影响
本研究采用已球化的颗粒数占总颗粒数的百分比表示球化率。用霍尔流速计测量粉末的流动性。雾化温度对碳化钨粉末球化率和流动性的影响结果如表1。从表1看出，2700℃雾化时，粉末的球化率低;2800℃时，球化率达90%，2900℃时，颗粒球化率为100%。在2700℃至3000℃条件下，随雾化温度提高，粉末球化率提高，流动性更好。
3.3雾化温度对粉末粒度组成的影响
不同温度雾化得到的碳化钨粉末粒度组成如表2。
从表2看出，在2700℃~3000℃条件下，随雾化温度提高，细粉末量增多，粗粉末量相应减少。小于45林m的细粉末分别为0%、0.2%、1.3%、3.4%;大于175的粗粉末分别为18.4%，9.4%，3.5%，0.6%，这说明温度增高时，碳化钨熔体的过热度增大，粘度减小，破碎熔体液滴所需要的能量小，在相同的条件下雾化时，得到的细粉末量较多。
3.4熔体球化机理探讨
在雾化过程中，金属液滴形成后，在表面张力作用下，会由不规则状逐渐趋于球形。在较高的过热温度下，液滴在凝固前有足够长的时间进行球化，所以粉末最终呈球状或类球状;而在较低的过热温度时，金属液滴经一次破碎后就已经凝固，或者在二次破碎的过程中凝固，得到的粉末粒度较粗，液滴也因球化时间小于其凝固时间而成哑铃或其他形状。
在雾化过程中，熔体的物理性质—表面张力和粘度影响着熔体的流动特性和雾化特性。雾化使连续的液体碎裂成细小的液滴，液滴的稳定性取决于液体的表面张力，它阻止液滴表面的变形。表面张力主要控制粉末的形貌，粘度则对粉末粒度产生重要影响。雾化所需的最小能量等于表面张力乘以液体表面积的增加量。对于一定的熔体，在适当的条件下其表面张力和粘度受过热度的影响，随过热度的增大而减小。由图2一图5和表1，表2可以看出，在2700℃以上的温度条件下，随雾化温度(熔体过热度)增加，粉末球化率提高，颗粒表面光洁，形貌及流动性趋好。细粉末量增多，粗粉末量相应减少。
4结论
(l)在2700℃以上的雾化温度下，可制得球形碳化钨粉末。
(2)在2700℃~3000℃温度条件下，随雾化温度(熔体过热度)增加，粉末球化率提高，颗粒形貌及流动性趋好;细粉末量增多，粗粉末量相应减少。
参考文献(略)
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