球形碳化钨粉末的超高温雾化制备技术及机理研究

摘要

热喷涂技术是表面工程的关键技术之一，为世界各国研究和开发的热点。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，流动性差且硬度低，难以满足高性能热喷涂材料的要求。研究具有良好流动性和高耐磨性的球形碳化钨粉末成为热喷涂技术的关键课题。 以实现碳化钨表面强化材料的“双高”（高流动性、高耐磨性）及工程化为目的，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，自行设计和制造了整套超高温熔炼及超高温雾化装备，系统研究了原料、雾化气体、雾化压力、熔体过热度、熔体圆柱流等参数对制备球形碳化钨的影响规律，同时对球形碳化钨粉末的制备原理及超高温雾化机理进行了深入探讨，建立了相应的数学模型。采用本文的研究成果实现了工程化生产，并取得良好的应用效果。 研究得到以下主要结论： 1）突破常规气体雾化在1700℃的温度极限，系统研究了超高温熔炼及超高温雾化基本原理，自行设计和制造了整套超高温熔炼及超高温雾化装备，使2700℃以上的超高温熔体连续气体雾化成为可能，并能满足实验室和大规模工业生产的需要； 2）采用超高温熔炼惰性气体雾化工艺在2700℃以上成功制备了球形碳化钨，并系统研究了雾化条件对球形碳化钨的影响规律，得到了合适的雾化工艺条件：高纯氩气雾化、雾化温度2850℃、雾化压力1.2MPa、熔体圆柱流直径10mm、圆柱流长度200mm、原料粒度15-20μm，前驱体颗粒度控制在75-175μm。 3）以钨粉、碳黑、碳化钨粉前躯体或多角状碳化钨为原料，采用超高温熔炼、惰性气体雾化，制得的碳化钨粉末具有外观呈球状、内部为细针状共晶组织、显微硬度3200HV、霍尔流速6.5s/50g、流动性好、耐磨性佳等优良的综合性能，材料质量达到国际先进水平。经现场应用，与传统的多角状碳化钨比较，使用寿命成倍提高。 4）发现超高温熔炼惰性气体雾化制备球形碳化钨的雾化过程是不稳定，采用线性不稳定性理论对雾化过程中熔体碎裂的不稳定性进行了分析和计算，建立了雾化过程不稳定性数学模型，较好地阐述了其基本规律。 5）根据超高温熔体的流动和球化特征，推导出质量流率与熔体各参数的关系式、粉体球化指数S与熔体过热度T的关系式，建立了超高温熔体球化模型。 6）采用本文的研究成果实现了规模生产，并取得良好的市场应用效果，打破了国内外近50年来在球形碳化钨研究（特别是应用研究方面）无显著进展的局面，解决了2000℃-3000℃超高熔点材料应用惰性气体雾化制取球形细晶碳化钨粉末的难题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1引言

1.2球形碳化钨粉末的特点及制备技术研究进展

1.2.1熔铸破碎法制备非球形碳化钨粉末

1.2.2电弧熔炼制备球形碳化钨粉末

1.2.3旋转盘雾化法制备球形碳化钨粉末

1.2.4水冷坩埚法制备球形碳化钨粉末

1.2.5等离子体法制备球形碳化钨粉末

1.3雾化制粉工艺技术及机理研究现状

1.3.1概述

1.3.2雾化器结构及主要雾化方法

1.3.3雾化工艺参数与粉末性能的关系

1.3.4雾化机理研究

1.4本研究的目的、意义与研究内容

第二章研究方案设计

2.1引言

2.2研究对象的特点

2.3工艺路线与关键技术

2.4超高温雾化装备研究方案

2.4.1超高温雾化装备系统构成

2.4.2超高温雾化装备各系统的功能设计

2.5球形碳化钨粉末应用研究方案

第三章超高温雾化装备研究

3.1引言

3.2.研究的关键问题

3.3设备设计原理

3.3.1感应加热模型

3.3.2参数关系分析

3.3.3超高温熔炼雾化装备结构

3.3.4样机试验

3.3.5本章小结

第四章超高温雾化工艺研究

4.1引言

4.2超高温雾化制备球形碳化钨粉工艺流程

4.2.1原料技术条件

4.2.2超高温雾化制备球形碳化钨的工艺流程

4.3雾化器结构及工艺参数对粉末性能的影响

4.3.1雾化器结构对粉末性能的影响

4.3.2雾化温度对粉末性能的影响

4.3.3雾化气体纯度和压力对粉末性能的影响

4.3.4金属熔体流柱直径对粉末性能的影响

4.3.5金属熔体流柱长度对粉末性能的影响

4.3.6原料特性对粉末性能的影响

4.3.7雾化过程的不稳定性试验

4.4本章小结

第五章超高温雾化机理研究

5.1引言

5.2雾化过程的线性不稳定性模型及分析

5.2.1前言

5.2.2.雾化过程不稳定性分析

5.2.3雾化过程不稳定性理论计算

5.2.4实验验证

5.3超高温熔体流动模型的建立

5.3.1超高温熔体流动模型的建立

5.3.2模型分析及验证

5.4超高温熔体球化机理及球化模型

5.4.1金属熔体的球化机理

5.4.2碳化钨熔体球化模型建立

5.5本章小结

第六章球形碳化钨粉末工程化及应用研究

6.1引言

6.2球形碳化钨材料的技术特点及应用

6.2.1球形碳化钨材料的技术特点

6.2.2球形碳化钨材料的应用前景

6.3研究成果的工程化

6.4研究成果与国外样品的比较

6.5球形碳化钨材料的应用研究

6.6本章小结

第七章结论及展望

7.1主要结论

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的主要论文

攻读博士学位期间申请的专利一览表

致谢