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二硫化钼掺杂对碳化钨涂层性能的多维度解析与机制探究

一、绪论

1.1研究背景与意义

在现代工业领域，材料的性能直接关系到产品的质量、使用寿命以及生产效率。碳化钨（WC）涂层凭借其自身独特的优势，在众多领域得到了极为广泛的应用。从化学组成来看，碳化钨是由钨（W）和碳（C）原子以1:1的比例结合而成，这种稳定的化学键赋予了碳化钨涂层在高温和恶劣化学环境中保持化学稳定性的能力。其微观结构包含细小均匀的晶粒，使得涂层具有高硬度和耐磨性，并且低孔隙率的特点有效增强了涂层的机械强度和附着力。从功能特性上，碳化钨涂层的硬度接近9Mohs，在高应力和高摩擦环境中能保持完整性，不易磨损或破裂。此外，它还具有良好的抗腐蚀性和高温稳定性，在化学腐蚀环境下，能形成保护性氧化膜，防止进一步化学反应，在高温作业条件下也能维持自身物理和化学特性。

在机械加工领域，刀具表面涂覆碳化钨涂层后，其耐磨性大幅提升，能够保持刀刃的锋利，显著延长刀具的使用寿命，提高加工精度和效率；在石油化工行业，碳化钨涂层可用于保护反应釜、管道等设备的内壁，抵御各种强腐蚀性介质的侵蚀以及物料流动带来的磨损，确保设备长期稳定运行，减少维护成本；在航空航天领域，碳化钨涂层应用于发动机部件等关键部位，不仅能承受高温、高压和高速气流的冲击，还能提高部件的耐磨性能，保障飞行器在极端条件下的安全飞行。

然而，碳化钨涂层并非完美无缺。由于其自身制备工艺及结构本质等方面的限制，其性能存在一定的局限性。在结构方面，尽管通过一些工艺能使涂层具有细小均匀的晶粒，但在实际应用中，受到复杂工况的影响，其结构的稳定性仍面临挑战，如在高温、高应力等条件下，涂层的晶粒可能会发生长大、团聚等现象，进而影响涂层的整体性能。在粗糙度方面，若涂层表面粗糙度控制不佳，会导致在摩擦过程中产生较大的摩擦力，加速涂层的磨损，同时也会影响涂层与基体之间的附着力，降低涂层的使用寿命。此外，碳化钨本身较高的硬度导致体系中的摩擦系数偏高，在服役过程中会加剧与之匹配的摩擦副的磨损，而且在高温应用条件下，其热膨胀系数和材料的应力容限较低，容易发生表面龟裂、剥落等现象。

为了提高碳化钨涂层的性能及延长其使用寿命，寻找有效的改进方法迫在眉睫。二硫化钼（MoS?）作为一种常用的添加元素，在涂料、涂层等领域展现出独特的优势。二硫化钼具有典型的层状结构，层与层之间的范德华力较弱，使其具有良好的润滑性能。将二硫化钼添加到碳化钨涂层中，可以显著改善涂层的磨损性能和加工性能。在磨损性能方面，二硫化钼能够在涂层表面形成一层润滑膜，降低摩擦系数，减少磨损的发生；在加工性能方面，它可以改善涂层的韧性，使其在加工过程中更易于成型，减少裂纹等缺陷的产生。同时，二硫化钼还能提高涂层的耐磨性和腐蚀性能，在耐磨方面，它与碳化钨形成的复合结构能够有效抵抗磨粒的刮擦和切削；在耐腐蚀方面，二硫化钼能够填充涂层中的孔隙和缺陷，阻止腐蚀介质的渗透，增强涂层的耐腐蚀能力。因此，研究添加二硫化钼对碳化钨涂层性能的影响，对于拓展碳化钨涂层的应用范围、提高工业产品的性能和质量具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者针对碳化钨涂层性能改进开展了大量研究工作。在提升碳化钨涂层硬度和耐磨性方面，早期研究主要聚焦于优化制备工艺。通过调整热喷涂过程中的参数，如喷涂温度、喷涂速度等，能够改变涂层的微观结构，进而提高硬度和耐磨性。有研究表明，采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备碳化钨涂层，相较于传统喷涂方法，可使涂层的致密度提高，孔隙率降低，从而显著提升硬度和耐磨性。随着研究的深入，添加增强相成为提升性能的重要手段。一些学者添加陶瓷颗粒如氧化铝（Al?O?）、氧化锆（ZrO?）等，利用陶瓷颗粒的高硬度和化学稳定性，增强碳化钨涂层的综合性能。添加Al?O?的碳化钨涂层，在高温下的硬度和抗氧化性能得到明显提升。

关于添加二硫化钼对碳化钨涂层性能影响的研究也取得了一定成果。国外有研究利用爆炸喷涂设备制备了掺杂固体润滑材料镍包二硫化钼的碳化钨涂层，通过扫描电镜观察涂层截面形貌、采用图像法测量涂层孔隙率以及X射线衍射仪分析涂层组成，发现添加适量的镍包二硫化钼可以使涂层的组织更加均匀，孔隙率降低。在力学性能方面，添加二硫化钼能在一定程度上提高涂层的韧性，改善其因高硬度带来的脆性问题。在摩擦磨损性能方面，涂层的摩擦系数显著降低，耐磨性得到提高，这是因为二硫化钼的层状结构在摩擦过程中起到了良好的润滑作用，减少了摩擦副之间的直接接触和磨损。

国内相关研究同样丰富。有研究采用热溶胶浸渍法制备碳化钨涂层，通过添加不同质量比例的二硫化钼来增强涂层的力学性能。利用扫描电镜、X射线衍射和拉力试验等手段对样品进行分析，发现添加二硫化钼后涂层的表面变得更加光滑、均匀。从XRD分析