阀门材料学|碳化钨涂层在高温高压下是否容易剥落？这种涂层在极端温度下能保持多久？

一、碳化钨涂层在高温高压下的剥落风险

1. 剥落的主要影响因素

• 热应力与结合强度
  碳化钨（WC）的热膨胀系数（约 4.5×10⁻⁶/℃）与常见基体材料（如钢的热膨胀系数约 11×10⁻⁶/℃）存在差异，高温高压下会产生热应力。若涂层与基体的结合强度（如喷涂涂层结合强度通常为 30-70MPa，烧结涂层可达 200MPa 以上）不足以抵抗热应力，可能导致界面开裂剥落。
  案例：采用等离子喷涂的 WC-Co 涂层在 500℃以上循环热冲击时，因孔隙率较高（5%-10%），热应力集中易引发剥落；而爆炸喷涂（结合强度＞70MPa）或化学气相沉积（CVD）的致密涂层剥落风险较低。
• 高温氧化与化学腐蚀
  碳化钨在空气中约 600-800℃开始氧化（反应式：2WC + 5O₂ → 2WO₃ + 2CO），生成的三氧化钨（WO₃）硬度低（约 300HV）且易挥发，会削弱涂层结构。若介质中含硫、氯等腐蚀性成分，高温下可能发生硫化、氯化反应（如 WC + S → WS₂ + CO），进一步破坏涂层结合力。
  示例：在含硫油气田的高温高压阀门中（温度＞350℃，压力＞10MPa），未做抗氧化处理的 WC 涂层可能因硫化腐蚀在半年内出现剥落。
• 高压蠕变与机械疲劳
  高压环境下，涂层内部的微缺陷（如孔隙、微裂纹）可能在持续载荷下扩展，尤其当温度超过 WC 的再结晶温度（约 1200℃）时，晶粒长大导致塑性变形，结合界面逐渐失效。此外，流体冲刷或振动引起的机械疲劳也会加速剥落。

2. 剥落风险的结论

• 制备工艺：致密性高、结合强度高的涂层（如爆炸喷涂、CVD）剥落风险低，普通热喷涂涂层风险较高；

• 温度压力阈值：在＜500℃、压力＜20MPa 的工况中，合理设计的涂层剥落风险较低；超过 800℃或压力＞30MPa 时，剥落风险显著增加。

二、极端温度下的保持时间与耐温极限

1. 耐温性能的关键参数

• 氧化起始温度与寿命
  无保护涂层的碳化钨在空气中的氧化失重率随温度升高急剧增加：

• 600℃时，年氧化失重约 0.1-0.5mm；

• 800℃时，年氧化失重可达 1-3mm，涂层寿命通常＜1 年；

• 若添加 Cr、Ni 等抗氧化元素（如 WC-10Co4Cr 涂层），氧化起始温度可提升至 900℃，寿命延长至 2-3 年。

• 热稳定极限与失效模式
  碳化钨的熔点为 2870℃，但涂层的热稳定极限受基体和结合相限制：

• 钴（Co）结合相在 700-800℃会软化，导致涂层硬度下降（如 WC-12Co 涂层在 800℃硬度从 1200HV 降至 800HV），磨损加剧；

• 超过 1000℃时，WC 与钢基体可能发生互扩散（Fe 渗入 WC 晶格），界面结合力在数月内快速衰减。

2. 不同工况下的保持时间参考

三、提升碳化钨涂层耐高温高压性能的措施

1. 优化制备工艺

• 采用爆炸喷涂（HVOF）或物理气相沉积（PVD）提高涂层致密度（孔隙率＜1%），减少热应力集中；

• 通过激光熔覆形成冶金结合界面，结合强度可达 300MPa 以上，显著降低剥落风险。

2. 复合涂层设计

• 在 WC 涂层与基体间添加 NiCrAlY 等过渡层，缓冲热膨胀差异；

• 制备 WC - 陶瓷（如 Al₂O₃、ZrO₂）复合涂层，兼顾耐磨性与耐高温氧化性能。

3. 表面改性处理

• 采用渗硼、渗硅等表面合金化技术，在涂层表面形成抗氧化层；

• 涂覆纳米级氧化物涂层（如 Y₂O₃），抑制 WC 氧化反应。

四、总结