一、碳化鎢涂層在高溫高壓下的剝落風險

1. 剝落的主要影響因素

• 熱應力與結合強度
  碳化鎢（WC）的熱膨脹系數（約 4.5×10??/℃）與常見基體材料（如鋼的熱膨脹系數約 11×10??/℃）存在差異，高溫高壓下會產生熱應力。若涂層與基體的結合強度（如噴涂涂層結合強度通常為 30-70MPa，燒結涂層可達 200MPa 以上）不足以抵抗熱應力，可能導致界面開裂剝落。
  案例：采用等離子噴涂的 WC-Co 涂層在 500℃以上循環熱沖擊時，因孔隙率較高（5%-10%），熱應力集中易引發剝落；而爆炸噴涂（結合強度＞70MPa）或化學氣相沉積（CVD）的致密涂層剝落風險較低。
• 高溫氧化與化學腐蝕
  碳化鎢在空氣中約 600-800℃開始氧化（反應式：2WC + 5O? → 2WO? + 2CO），生成的三氧化鎢（WO?）硬度低（約 300HV）且易揮發，會削弱涂層結構。若介質中含硫、氯等腐蝕性成分，高溫下可能發生硫化、氯化反應（如 WC + S → WS? + CO），進一步破壞涂層結合力。
  示例：在含硫油氣田的高溫高壓閥門中（溫度＞350℃，壓力＞10MPa），未做抗氧化處理的 WC 涂層可能因硫化腐蝕在半年內出現剝落。
• 高壓蠕變與機械疲勞
  高壓環境下，涂層內部的微缺陷（如孔隙、微裂紋）可能在持續載荷下擴展，尤其當溫度超過 WC 的再結晶溫度（約 1200℃）時，晶粒長大導致塑性變形，結合界面逐漸失效。此外，流體沖刷或振動引起的機械疲勞也會加速剝落。

2. 剝落風險的結論

• 制備工藝：致密性高、結合強度高的涂層（如爆炸噴涂、CVD）剝落風險低，普通熱噴涂涂層風險較高；

• 溫度壓力閾值：在＜500℃、壓力＜20MPa 的工況中，合理設計的涂層剝落風險較低；超過 800℃或壓力＞30MPa 時，剝落風險顯著增加。

二、極端溫度下的保持時間與耐溫極限

1. 耐溫性能的關鍵參數

• 氧化起始溫度與壽命
  無保護涂層的碳化鎢在空氣中的氧化失重率隨溫度升高急劇增加：

• 600℃時，年氧化失重約 0.1-0.5mm；

• 800℃時，年氧化失重可達 1-3mm，涂層壽命通常＜1 年；

• 若添加 Cr、Ni 等抗氧化元素（如 WC-10Co4Cr 涂層），氧化起始溫度可提升至 900℃，壽命延長至 2-3 年。

• 熱穩定極限與失效模式
  碳化鎢的熔點為 2870℃，但涂層的熱穩定極限受基體和結合相限制：

• 鈷（Co）結合相在 700-800℃會軟化，導致涂層硬度下降（如 WC-12Co 涂層在 800℃硬度從 1200HV 降至 800HV），磨損加劇；

• 超過 1000℃時，WC 與鋼基體可能發生互擴散（Fe 滲入 WC 晶格），界面結合力在數月內快速衰減。

2. 不同工況下的保持時間參考

三、提升碳化鎢涂層耐高溫高壓性能的措施

1. 優化制備工藝

• 采用爆炸噴涂（HVOF）或物理氣相沉積（PVD）提高涂層致密度（孔隙率＜1%），減少熱應力集中；

• 通過激光熔覆形成冶金結合界面，結合強度可達 300MPa 以上，顯著降低剝落風險。

2. 復合涂層設計

• 在 WC 涂層與基體間添加 NiCrAlY 等過渡層，緩沖熱膨脹差異；

• 制備 WC - 陶瓷（如 Al?O?、ZrO?）復合涂層，兼顧耐磨性與耐高溫氧化性能。

3. 表面改性處理

• 采用滲硼、滲硅等表面合金化技術，在涂層表面形成抗氧化層；

• 涂覆納米級氧化物涂層（如 Y?O?），抑制 WC 氧化反應。

四、總結