新型碳化鎢塗層工藝如何強化飛機零部件

碳化鎢材料其較高的硬度、耐磨性、耐高溫、耐腐蝕性能，被廣泛地應用於航空航太、石油、冶金、機械等領域。在一般工業應用中，我們稱它為硬質合金塗層，通常是以碳化鎢/鈷為原材料，在鎳或鐵基材料表面進行超音速噴塗而形成一層保護層，可以增加耐磨和使用壽命。原則上，這種類工藝的實施成本並不便宜，但相對於整個零部件的損壞和更換成本來說，其節約的金額是很可觀的。在航太發動機研發領域，表面增強塗層是最為引人注目的技術之一，碳化鎢就是一種重要的飛機零部件塗層基礎材料。

隨著高新技術的快速發展，對材料不斷提出多方面的性能要求。金屬陶瓷？確實有，不過大部分航空所說的金屬陶瓷都是複合材料，成分配方無從知曉，但大多都有添加鎢成分，應用因材施教，沒有萬能的材料。回歸我們的主題，現有的塗層工藝有超音速火焰噴塗碳化鎢、硬鉻電鍍、物理氣相沉積碳化鎢和爆炸噴塗碳化鎢等。儘管這些應用在某些領域中取得了成功，但各有其局限性。

在歐美最知名的航空製造企業中，它們所普遍採用的是一種叫做低溫化學氣相沉積（CVD）塗層技術，這是一種用於沉積碳化鎢塗層的工藝，已被認為是實用的，技術上和商業上可行的解決方案，能夠顯著增加飛機部件壽命，被廣泛應用於颱風、F16等三代戰機的噴氣發動機上。

之所以採用CVD塗層技術，這是因為在一般的硬質合金噴塗技術中，都需要用到鈷，鈷作為碳化鎢材料的粘結相，可以提升材料緻密性能，但相對的，鈷會降低耐磨和耐腐性能。CVD塗層技術可以不用鈷，它屬於納米結構鎢/碳化鎢塗層系列，它是由低壓氣體介質逐原子結晶而成的。它通過構建了一個緻密的鎢層和鎢碳化物成分粘合在一起的保護層，從而在飛機部件內表面和複雜形狀上均勻無孔地塗層，尤其適用於無法使用噴塗技術的設計和複雜的幾何形狀。典型的CVD塗層應用包括飛機上的燃油計量閥、反推推杆、銷釘，襯套，軸承，吊鉤，漁獲物，起落架，襟翼軌道和板條，套筒，杆，閥門，氣動活塞和氣缸。

與硬鉻電鍍法相比，CVD碳化鎢塗層技術可以直接轉換到最小預塗層部件設計變更，其厚度（50μm至100μm）和硬度（800HV至1,200HV），上限超過電鍍法的最大硬度。這也是因為分散的碳化鎢納米粒子賦予材料更高的硬度，可以控制和調整硬度，使典型範圍為800維氏硬度和1600維氏硬度，適用于不同的塗層類型。CVD塗層通常以50μm的厚度施加，結合了高硬度和增強的韌性和延展性，提高了耐磨性和抗侵蝕性，並且能夠承受衝擊和部件變形。

歐美工程師曾使用高頻往復式測試台測試CVD硬質合金塗層的耐磨性。使用硬鉻電鍍不銹鋼板和CVD塗層鋼板進行對比。硬鉻電鍍不銹鋼板緝獲迅速達到臨界1.0摩擦係數和65N負載，就已嚴重磨損無法繼續測試。而採用CVD塗層的樣品，幹摩擦係數穩定在0.2左右。沒有觀察到磨損，即使受到試驗台的最大負荷。測試結果表明，CVD材料硬度比硬鉻電鍍塗層高出13倍。同理測試，它是超音速火焰噴塗性能的3倍左右。

還有，低溫化學氣相沉積碳化鎢塗層技術可以不使用易受酸影響的鈷。因此，CVD碳化鎢塗層可以抵抗更多侵蝕性的化學物質，並可用作防腐屏障。由於沉積機理，低溫化學氣相沉積碳化鎢塗層孔隙率低，不需要密封。鎢和碳化鎢具有很高的耐化學性。在與硬鉻電鍍法、超音速火焰噴塗法的對比測試中，塗有硬鉻電鍍法、超音速火焰噴塗和CVD塗層的低碳鋼板經過480小時的中性鹽霧試驗，硬鉻電鍍法樣品嚴重腐蝕並因此在288小時後從測試中移除。超音速火焰噴塗塗層樣品顯示出嚴重的鏽跡並且塗層起泡，CVD樣品僅顯示輕微染色。

CVD碳化鎢塗層的另一個優點是它們對密封件，軸承和其他反體部件無磨損品質。均勻的納米結構允許塗層均勻磨損並保持或甚至改善表面光潔度 - 即使在磨蝕性或腐蝕性環境中。對於液壓執行器，旋轉軸和軸承，塗層保持良好的表面，減少彈性體和PTFE密封件的磨損，防止漏油，並有助於降低飛機執行器和傳動部件的維護要求。

總之，碳化鎢塗層技術在航太航空業的應用中非常普遍，不管是客機也好，戰鬥機也行，它都能有效解決航空設備的磨損，延長航空設備的使用壽命。

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