Что такое порошок сплава карбида вольфрама на основе никеля и где он используется?

Что на самом деле представляет собой порошок сплава карбида вольфрама на основе никеля

Порошок сплава карбида вольфрама на основе никеля представляет собой композиционный материал, в котором частицы карбида вольфрама (WC) — одного из самых твердых веществ, используемых в промышленности — внедрены в металлическую матрицу из никеля или никелевого сплава. В результате получается порошковое сырье, которое сочетает в себе чрезвычайную твердость и износостойкость карбида вольфрама с ударной вязкостью, стойкостью к окислению и коррозии, обеспечиваемыми никелевой связующей фазой. Ни один из материалов сам по себе не обеспечивает одинаковых характеристик: чистый WC хрупок и склонен к растрескиванию под ударами, а никелевые сплавы сами по себе не имеют поверхностной твердости, необходимой для условий абразивного износа. Композитные мосты устраняют этот разрыв.

С практической точки зрения порошок никеля и карбида вольфрама предназначен для применения в качестве покрытия или наплавки, а не в качестве объемного конструкционного материала. Он обрабатывается с помощью систем термического напыления, оборудования для лазерной наплавки или традиционных процессов наплавки для создания защитных поверхностных слоев на компонентах, которые работают в условиях сильного износа, высоких температур или химически агрессивных сред. Форма порошка делает его совместимым с этими процессами осаждения: размер частиц, морфология и текучесть контролируются во время производства, чтобы соответствовать конкретным требованиям оборудования для распыления или плакирования.

Никелевая матрица в этих порошках не всегда представляет собой чистый никель. Обычные составы матриц включают сплавы Ni-Cr, Ni-Cr-B-Si и Ni-Cr-Mo, каждый из которых придает осажденному покрытию определенные свойства. Хром улучшает стойкость к окислению и коррозии. Бор и кремний снижают температуру плавления матрицы и способствуют самофлюсуемости во время термического напыления, уменьшая пористость конечного покрытия. Молибден обеспечивает дополнительную жаропрочность. Содержание туалета в рекламе порошок сплава карбида вольфрама на основе никеля Марки обычно варьируются от 35% до 83% по весу, при этом более высокие нагрузки WC позволяют получить более прочные и износостойкие покрытия, но при этом снижают ударную вязкость и ударопрочность.

Ключевые сорта и составы — и что означают цифры

Коммерческие марки порошков карбида вольфрама на основе никеля обычно обозначаются по содержанию WC и типу матричного сплава. Понимание того, как читать эти обозначения — и что означают переменные состава для характеристик покрытия — имеет важное значение для правильного выбора материала.

Марки с матрицей Ni-Cr-B-Si наиболее широко используются при термическом напылении, поскольку содержание бора и кремния создает самофлюсующийся сплав, который образует собственный защитный шлак во время напыления и плавления, уменьшая оксидные включения и пористость в осаждаемом покрытии. Это делает их хорошо подходящими для процессов газопламенного напыления и HVOF, где плотность покрытия имеет решающее значение. Сплавы с матрицами Ni-Cr или Ni-Cr-Mo без бора и кремния являются предпочтительными для применений лазерной наплавки, где более контролируемое тепловложение лазерного процесса снижает потребность в самофлюсующейся химии.

Как размер частиц влияет на характеристики покрытия

Размер частиц является одной из наиболее важных переменных характеристик порошка сплава карбида вольфрама на основе никеля и напрямую связан с используемым процессом осаждения. Один и тот же состав порошка с разным гранулометрическим составом позволяет получить покрытия с заметно разными уровнями пористости, шероховатости поверхности и эффективности осаждения. Указание порошка без указания диапазона размеров частиц является неполной спецификацией.

Грубые порошки (–45–106 мкм и больше)

Крупные диапазоны размеров частиц используются в основном в процессах наплавки плазмопереносной дугой (PTA) и лазерной наплавки, где более крупная ванная расплава и более медленная скорость осаждения могут полностью расплавить и сплавить более крупные частицы. Грубый порошок WC-Ni образует толстые отложения — обычно от 1 до 3 мм за проход — и подходит для сильно изнашиваемых компонентов, таких как стабилизаторы буров, рабочие колеса насосов и седла крупных промышленных клапанов. Более крупный размер частиц WC в месторождении также способствует макротвердости, устойчивой к грубым абразивным средам, таким как камень и руда.

Средние порошки (–45 15 мкм)

Ассортимент среднего размера является наиболее универсальным и наиболее широко представлен в промышленных каналах поставок. Он охватывает большинство применений HVOF (высокоскоростного кислородного топлива) и плазменного напыления, обеспечивая баланс текучести, эффективности осаждения и плотности покрытия. Покрытия, напыляемые HVOF, полученные из порошка никеля и карбида вольфрама среднего диапазона, обычно достигают уровня пористости ниже 1% и поверхностной твердости в диапазоне 58–65 HRC, что делает эту спецификацию подходящей для нефтегазовых компонентов, покрытий гидравлических штоков и промышленных изнашиваемых пластин.

Мелкие порошки (–15 мкм и ниже)

Мелкие и сверхтонкие порошки NiWC используются в процессах холодного напыления и лазерной наплавки с высоким разрешением, где толщина покрытия измеряется в микронах, а не в миллиметрах. Мелкие порошки создают более гладкие поверхности после распыления с меньшими требованиями к окончательной отделке после нанесения покрытия, но их труднее равномерно подавать через распылительное оборудование из-за плохой текучести и склонности к агломерации. Хранение в сухих условиях инертной атмосферы более важно для мелких порошков, поскольку предотвращает поглощение влаги, что приводит к слипанию частиц и прерыванию подачи во время осаждения.

Процессы осаждения: выбор порошка для правильного метода

Порошок сплава карбида вольфрама на основе никеля совместим с несколькими процессами термического напыления и наплавки, но не является взаимозаменяемым — каждый процесс налагает на порошок разные термические и кинетические условия, которые влияют на то, насколько хорошо сохраняется фаза WC и насколько плотным становится окончательное покрытие. Выбор порошка без учета процесса нанесения приводит к неоптимальному качеству покрытия независимо от того, насколько хорош сам порошок.

HVOF (Высокоскоростное кислородное топливо) Распыление

HVOF — это наиболее распространенный процесс термического напыления порошка карбида никеля и карбида вольфрама в точном промышленном применении. Газы сгорания ускоряют порошок до сверхзвуковых скоростей (600–800 м/с), сохраняя при этом относительно умеренную температуру частиц, что имеет решающее значение для удержания WC. При повышенных температурах WC разлагается на W₂C и свободный углерод, что снижает твердость покрытия и делает его хрупким. Высокая скорость частиц в HVOF обеспечивает кинетическую энергию, необходимую для образования плотного покрытия, без термического повреждения, связанного с высокотемпературными процессами. Покрытия WC-NiCrBSi, напыленные HVOF, стабильно достигают пористости ниже 0,5% и являются эталоном для характеристик износостойких покрытий для нефтегазовой отрасли.

Плазменный спрей

Атмосферное плазменное напыление (APS) работает при гораздо более высоких температурах, чем HVOF, что вызывает большее разложение WC и обычно дает покрытия с более высокой пористостью (1–5%) и меньшей твердостью, чем эквиваленты HVOF. Однако плазменное напыление применимо к более широкому спектру морфологии порошков и более гибко подходит для нанесения покрытий сложной геометрии. Он по-прежнему широко используется для порошка сплава карбида вольфрама на основе никеля в менее требовательных к износу приложениях, где стоимость покрытия более ограничена, чем качество покрытия, а также для нанесения более толстых покрытий, где несколько проходов HVOF будут непомерно медленными.

Плазменная дуговая наплавка (PTA)

PTA наносит порошок NiWC посредством переносимой плазменной дуги, которая создает металлургическую, а не механическую связь между покрытием и подложкой. Это обеспечивает прочность сцепления покрытия значительно выше, чем при использовании методов термического напыления, при этом прочность сцепления превышает 700 МПа в хорошо выполненных покрытиях PTA. PTA предпочтителен для компонентов, подверженных ударным нагрузкам, а также абразивному износу, где существует риск отслоения покрытия под ударной нагрузкой. Этот процесс медленнее и более капиталоемкий, чем HVOF, но создает месторождения, которые функционально превосходят самые требовательные приложения.

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка обеспечивает наиболее точное и минимальное тепловложение среди всех процессов, совместимых с порошком карбида вольфрама на основе никеля. Контролируемое воздействие лазерного тепла сводит к минимуму разложение WC и разбавление подложки, создавая покрытия с исключительной композиционной точностью и очень низкой пористостью. Покрытия NiWC, нанесенные лазером, используются в аэрокосмической отрасли, производстве медицинского оборудования и прецизионных клапанных компонентах, где точность размеров и допуски по консистенции покрытия являются наиболее жесткими. Стоимость процесса является самой высокой среди всех методов и обычно предназначена для дорогостоящих компонентов, качество покрытия которых оправдывает инвестиции.

Первичные отрасли и приложения

Область применения порошка сплава карбида вольфрама на основе никеля широка, но общей чертой для всех них является необходимость защиты поверхностей компонентов от одного или нескольких из трех механизмов деградации: абразивного износа, эрозионного износа и коррозии — часто в сочетании. На следующие отрасли приходится большая часть потребления термического напыления NiWC и порошков для наплавки во всем мире.

• Нефть и газ: Стабилизаторы бурильных труб, компоненты забойного двигателя, плунжеры насосов, седла задвижек и компоненты устья скважины покрыты порошками WC-Ni, чтобы противостоять истиранию буровым раствором и технологическими жидкостями, содержащими твердые частицы. WC-NiCrBSi с применением HVOF является преобладающей спецификацией для покрытий скважинных инструментов в этом секторе.
• Добыча и переработка полезных ископаемых: Футеровки дробилок, компоненты конвейеров, рабочие колеса шламовых насосов и футеровки циклонов наплавлены крупнозернистым порошком NiWC посредством PTA или лазерной наплавки для продления срока службы в условиях переработки руды с высокой абразивностью.
• Промышленное производство: Штоки гидравлических цилиндров, пресс-инструмент, формовочные штампы и промышленные валки покрыты порошком WC-Ni среднего качества с помощью HVOF, чтобы противостоять износу при скольжении и сохранять стабильность размеров при повторяющихся контактных нагрузках.
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: В компонентах шасси, втулках привода и платформах лопаток турбины используются прецизионные покрытия из карбида никеля и вольфрама, нанесенные лазером или HVOF, где вес, допуск на размеры и консистенция покрытия строго контролируются.
• Производство электроэнергии: В экранах труб котлов, передних кромках лопастей вентиляторов и компонентах клапанов на угольных электростанциях и электростанциях, работающих на биомассе, используется наплавка из NiWC, чтобы противостоять эрозии из-за летучей золы и потоков пара, содержащего твердые частицы, при повышенных температурах.
• Химическая обработка: Валы насосов, лопатки мешалок и внутренние детали реакторов, работающие в агрессивных химических средах, изготовлены из марок WC-NiCrMo, которые сочетают в себе износостойкость с устойчивостью к кислотам, щелочам и хлоридсодержащим средам.

Методы производства порошков и почему они важны

Метод производства, используемый для производства порошка сплава карбида вольфрама на основе никеля, оказывает непосредственное влияние на морфологию частиц, текучесть, распределение WC внутри каждой частицы и, в конечном итоге, на качество покрытия. В коммерческом производстве доминируют три производственных маршрута, каждый из которых производит порошок с различными характеристиками.

Спекание и дробление

Спекание и дробление — самый старый и самый дешевый метод производства. Порошки сплавов WC и Ni смешиваются, прессуются в компактную форму, спекаются при высокой температуре с образованием плотного композита, затем измельчаются и просеиваются до необходимого диапазона размеров частиц. Получающиеся частицы имеют угловатую и неправильную форму, с хорошим распределением WC, но с относительно плохой сыпучестью из-за острой морфологии частиц. Спеченный и измельченный порошок NiWC широко используется при наплавке PTA и газопламенном напылении, где системы подачи допускают более низкую текучесть, но он менее подходит для систем HVOF, которые требуют постоянной скорости подачи порошка.

Распылительная сушка и спекание (агломерат)

Распылительная сушка позволяет получить сферические или почти сферические агломерированные частицы путем распыления суспензии порошков сплава WC и Ni в горячую сушильную камеру, образуя композитные гранулы, которые затем спекаются для образования связей между частицами. Сферическая морфология обеспечивает значительно лучшую сыпучесть, чем измельченный порошок, что приводит к более стабильной скорости подачи и более равномерному нанесению покрытия в системах HVOF и системах плазменного напыления. Агломерированный и спеченный порошок NiWC является наиболее широко используемой формой для термического напыления и имеет более высокую цену по сравнению с измельченными сортами, что оправдано улучшенной стабильностью процесса и качеством покрытия.

Распыление газа

Газовое распыление позволяет получить полностью плотные, очень сферические частицы порошка путем распыления расплавленного потока состава сплава струями инертного газа под высоким давлением. Быстрое затвердевание приводит к образованию частиц с превосходной сыпучестью и очень однородным составом. Для порошков сплавов с никелевой матрицей без предварительно смешанного WC предпочтительным способом является газовое распыление. Для композитных порошков WC-Ni распыление менее распространено, поскольку высокая температура плавления WC затрудняет гомогенное перемешивание расплавленной фазы. Газораспыленные матричные порошки сплавов Ni часто смешивают с отдельно полученными частицами WC для создания композитного сырья для лазерной наплавки, где сыпучесть и точность состава имеют решающее значение.

Что указывать при покупке порошка карбида вольфрама на основе никеля

Для инженеров по снабжению, инженеров по материалам и менеджеров предприятий по нанесению покрытий, закупающих порошок сплава WC-Ni в больших объемах, полная спецификация порошка охватывает больше переменных, чем просто состав и размер частиц. Неполные спецификации приводят к различиям в характеристиках покрытия от партии к партии и создают проблемы с квалификацией при смене поставщиков.

• Состав (мас.%): Укажите содержание WC и полный химический состав матричного сплава, включая диапазоны Ni, Cr, B, Si, Mo и C. Запросите сертифицированный отчет об испытаниях материала (CMTR) для каждой партии, подтверждающий фактический химический состав в соответствии с пределами спецификации.
• Распределение частиц по размерам (PSD): Укажите значения D10, D50 и D90 с помощью лазерного дифракционного анализа, а не только диапазоны номинальных размеров ячеек. Размер сетки сам по себе не полностью характеризует содержание мелких частиц, которые влияют на текучесть и пористость покрытия.
• Кажущаяся плотность и расход: Скорость потока расходомера Холла (в секундах на 50 г) и кажущаяся плотность (г/см³) являются ключевыми параметрами подачи для систем HVOF и систем плазменного напыления. Укажите минимальную скорость потока и плотность, чтобы обеспечить равномерное осаждение.
• Морфология: Укажите сферическую (агломерированную/спеченную) или угловатую (спекшуюся/измельченную) в зависимости от процесса осаждения. Подтвердите это с помощью изображений СЭМ от поставщика для первых квалификационных партий.
• Содержание кислорода: Для порошков HVOF и лазерной наплавки поверхностное окисление порошка ухудшает качество покрытия. Укажите максимальное содержание кислорода (обычно ниже 0,3% по массе для сортов премиум-класса) и требуйте упаковку для инертной атмосферы.
• Данные квалификации покрытия: Запросите у поставщика данные испытаний напыленного купона — твердость, пористость (путем анализа изображения) и прочность сцепления — полученные при определенных параметрах распыления. Это обеспечивает базовый уровень, по которому можно оценить согласованность поступающих партий.

Прямые поставки от производителя порошка, а не от посредника по сбыту, обеспечивают полную прослеживаемость от сырья до готового порошка, доступ к технической поддержке для оптимизации процесса, а также возможность указывать индивидуальные составы и диапазоны размеров частиц для применений, выходящих за рамки стандартных классов каталога. Для крупномасштабных операций по нанесению покрытий прямые отношения с производителем также обеспечивают гарантию единообразия от партии к партии, которую трудно поддерживать при закупках через несколько уровней дистрибьюторов.