新型碳化钨涂层工艺如何强化飞机零部件

碳化钨材料其较高的硬度、耐磨性、耐高温、耐腐蚀性能，被广泛地应用于航空航天、石油、冶金、机械等领域。在一般工业应用中，我们称它为硬质合金涂层，通常是以碳化钨/钴为原材料，在镍或铁基材料表面进行超音速喷涂而形成一层保护层，可以增加耐磨和使用寿命。原则上，这种类工艺的实施成本并不便宜，但相对于整个零部件的损坏和更换成本来说，其节约的金额是很可观的。在航天发动机研发领域，表面增强涂层是最为引人注目的技术之一，碳化钨就是一种重要的飞机零部件涂层基础材料。

随着高新技术的快速发展，对材料不断提出多方面的性能要求。金属陶瓷？确实有，不过大部分航空所说的金属陶瓷都是复合材料，成分配方无从知晓，但大多都有添加钨成分，应用因材施教，没有万能的材料。回归我们的主题，现有的涂层工艺有超音速火焰喷涂碳化钨、硬铬电镀、物理气相沉积碳化钨和爆炸喷涂碳化钨等。尽管这些应用在某些领域中取得了成功，但各有其局限性。

在欧美最知名的航空制造企业中，它们所普遍采用的是一种叫做低温化学气相沉积（CVD）涂层技术，这是一种用于沉积碳化钨涂层的工艺，已被认为是实用的，技术上和商业上可行的解决方案，能够显着增加飞机部件寿命，被广泛应用于台风、F16等三代战机的喷气发动机上。

之所以采用CVD涂层技术，这是因为在一般的硬质合金喷涂技术中，都需要用到钴，钴作为碳化钨材料的粘结相，可以提升材料致密性能，但相对的，钴会降低耐磨和耐腐性能。CVD涂层技术可以不用钴，它属于纳米结构钨/碳化钨涂层系列，它是由低压气体介质逐原子结晶而成的。它通过构建了一个致密的钨层和钨碳化物成分粘合在一起的保护层，从而在飞机部件内表面和复杂形状上均匀无孔地涂层，尤其适用于无法使用喷涂技术的设计和复杂的几何形状。典型的CVD涂层应用包括飞机上的燃油计量阀、反推推杆、销钉，衬套，轴承，吊钩，渔获物，起落架，襟翼轨道和板条，套筒，杆，阀门，气动活塞和气缸。

与硬铬电镀法相比，CVD碳化钨涂层技术可以直接转换到最小预涂层部件设计变更，其厚度（50μm至100μm）和硬度（800HV至1,200HV），上限超过电镀法的最大硬度。这也是因为分散的碳化钨纳米粒子赋予材料更高的硬度，可以控制和调整硬度，使典型范围为800维氏硬度和1600维氏硬度，适用于不同的涂层类型。CVD涂层通常以50μm的厚度施加，结合了高硬度和增强的韧性和延展性，提高了耐磨性和抗侵蚀性，并且能够承受冲击和部件变形。

欧美工程师曾使用高频往复式测试台测试CVD硬质合金涂层的耐磨性。使用硬铬电镀不锈钢板和CVD涂层钢板进行对比。硬铬电镀不锈钢板缉获迅速达到临界1.0摩擦系数和65N负载，就已严重磨损无法继续测试。而采用CVD涂层的样品，干摩擦系数稳定在0.2左右。没有观察到磨损，即使受到试验台的最大负荷。测试结果表明，CVD材料硬度比硬铬电镀涂层高出13倍。同理测试，它是超音速火焰喷涂性能的3倍左右。

还有，低温化学气相沉积碳化钨涂层技术可以不使用易受酸影响的钴。因此，CVD碳化钨涂层可以抵抗更多侵蚀性的化学物质，并可用作防腐屏障。由于沉积机理，低温化学气相沉积碳化钨涂层孔隙率低，不需要密封。钨和碳化钨具有很高的耐化学性。在与硬铬电镀法、超音速火焰喷涂法的对比测试中，涂有硬铬电镀法、超音速火焰喷涂和CVD涂层的低碳钢板经过480小时的中性盐雾试验，硬铬电镀法样品严重腐蚀并因此在288小时后从测试中移除。超音速火焰喷涂涂层样品显示出严重的锈迹并且涂层起泡，CVD样品仅显示轻微染色。

CVD碳化钨涂层的另一个优点是它们对密封件，轴承和其他反体部件无磨损质量。均匀的纳米结构允许涂层均匀磨损并保持或甚至改善表面光洁度 - 即使在磨蚀性或腐蚀性环境中。对于液压执行器，旋转轴和轴承，涂层保持良好的表面，减少弹性体和PTFE密封件的磨损，防止漏油，并有助于降低飞机执行器和传动部件的维护要求。

总之，碳化钨涂层技术在航天航空业的应用中非常普遍，不管是客机也好，战斗机也行，它都能有效解决航空设备的磨损，延长航空设备的使用寿命。

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