微／納米復(fù)合涂層的抗沖蝕磨損性能

龐佑霞，許 焰，張 昊，唐 勇，劉厚才

（1長沙學(xué)院 先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所，長沙410022；2湖南省機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201）

流體機(jī)械過流部件的嚴(yán)重磨損，使得流體機(jī)械效率降低，機(jī)組事故率上升，檢修設(shè)備費(fèi)用增加，已成為當(dāng)前生產(chǎn)廠家和使用單位亟待解決的重大問題之一。由于流體機(jī)械加工復(fù)雜、周期長、價(jià)格高，不可能頻繁更換過流部件，所以采用涂層有效地保護(hù)和修復(fù)流體機(jī)械過流部件磨蝕區(qū)具有重要的意義[1］。

非金屬的膠黏涂層修復(fù)保護(hù)過流磨蝕區(qū)的研究開始于20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)外的研究結(jié)果表明[2－9］：目前廣泛研究的環(huán)氧硬涂層材料和橡膠軟涂層材料雖具有一定的抗磨損性能，但由于制備工藝不夠完善，普遍存在涂層與金屬母材的黏結(jié)力較差這一缺陷，容易被水流沖毀，抗硬物沖擊能力較差，容易被撕裂、脫落。在調(diào)整環(huán)氧樹脂、合成橡膠和微／納米填充劑等各組分的基礎(chǔ)上，利用新的固化劑、填料、增韌劑、偶聯(lián)劑對原有機(jī)復(fù)合彈性涂層的黏性底層和抗沖蝕橡膠層配方進(jìn)行改進(jìn)，對于研究微／納米復(fù)合涂層的抗沖蝕磨損性能具有重要的實(shí)用意義。本工作制備的微／納米復(fù)合涂層采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，保證涂層與基體之間、層與層之間結(jié)合強(qiáng)度，使抗沖蝕磨損效果得到了提高；并且采用輔助表面層，可直接通電加熱使涂層固化，本涂層的特色在于涂層涂覆施工時操作方便，能方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工，尤其對于大型部件的修復(fù)更加有利，延長過流部件的使用壽命。

1 微／納米復(fù)合涂層抗沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)研究

1.1 涂層的組成

微／納米復(fù)合涂層由以下四個部分組成：黏結(jié)底層、過渡層、抗磨蝕橡膠層以及輔助電熱層，利用微／納米顆粒填料對黏性底層和抗磨蝕橡膠層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微／納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of micro／nano composite coating structure

1.2 涂層的抗沖蝕磨損性能對比測試

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

為研究微／納米復(fù)合涂層抗沖蝕磨損性能，選用45鋼作為基體材料，涂覆該涂層，其中各層在配方后分層涂刷，層與層之間涂敷時間間隔以前層黏手、但不帶起膠液再涂后層為好，然后對輔助電熱層通電以提高溫度并對已涂覆好的各層進(jìn)行固化。同時為了進(jìn)行對比，選用其他四種表面處理方法對45鋼表面進(jìn)行處理，試件編號、處理方法以及性能如表1所示。

表1 五種不同表面處理方法及處理后試件性能Table 1 Five different surface treatment methods and specimen performance

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

微／納米復(fù)合涂層抗沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)盤式磨損實(shí)驗(yàn)裝置[10］上進(jìn)行，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：1）含沙量為0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），沙粒直徑為0.2mm＜d＜0.3mm，沖蝕速率為30m／s，沖蝕角度為30°；2）電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1654r／min；3）流量為1.526m3／h。

1.2.3 測量方法及儀器

沖蝕磨損時間為35h，每5h進(jìn)行一次試樣觀察和稱重，沖蝕磨損35h后進(jìn)行微觀表面觀察和分析。

稱重儀器：AB304－S電子秤，精度0.1mg。

掃描電子顯微鏡：KYKY－2800。

2 結(jié)果與討論

2.1 采用失重法分析抗沖蝕磨損性能

不同表面處理后的試件經(jīng)過35h沖蝕實(shí)驗(yàn)后，沖蝕時間與單位面積失重量曲線如圖2所示。

圖2 不同試件經(jīng)35h沖蝕后時間與單位面積失重量關(guān)系Fig.2 The relationship of erosion time and mass loss in different specimens during 35h

從圖2可以看出：除微／納米復(fù)合材料試樣外，其他試樣的失重量都是隨著沖蝕磨損時間的延長而增加，沖蝕過程中所有試件的質(zhì)量變化規(guī)律基本相同，分為跑合期、磨損期和穩(wěn)定期三個過程。

在沖蝕10h之前，失重曲線一般在沖蝕的跑合期中，因?yàn)樾略嚰哪Σ帘砻婢哂幸欢ǖ拇植诙?，?shí)際接觸面積小，在一定的沖擊載荷下，表面逐漸磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速率逐漸減緩，處于跑合階段，材料失重率較大。在沖蝕10h以后，試樣進(jìn)入磨損期，材料的沖蝕失重率較大，這是由于表面處理工藝導(dǎo)致表面處理材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度低所致。在沖蝕15h以后，試樣進(jìn)入了穩(wěn)定磨損期，材料的磨損率比較穩(wěn)定，但刷鍍試樣從30h開始進(jìn)入了嚴(yán)重磨損期，磨損率急劇增加。

微／納米復(fù)合材料試樣的磨損曲線在沖蝕前20h內(nèi)質(zhì)量是隨著時間延長而增大，這可能是高分子材料在沖蝕力與瞬時高溫的作用下，與水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生結(jié)晶所致，具體原因有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)檢測與分析；該試樣的磨損曲線在沖蝕20h以后質(zhì)量是隨著時間的延長而減小，這是由于試樣表面產(chǎn)生了沖蝕坑和微裂紋，涂層材料局部脫落引起的，但磨損量較小，說明微／納米復(fù)合材料抗沖蝕性能好。

綜上所述，微／納米復(fù)合材料試樣的抗沖蝕磨損性能最好，堆焊 WC管狀焊條試樣與刷鍍試樣次之，而滲碳、淬火和胎體粉試樣的抗沖蝕磨損性能最差。

2.2 試件表面形貌分析

不同表面處理方法試件在沖蝕磨損35h后其表面的SEM形貌如圖3～7所示。

圖3 堆焊WC管狀焊條試件沖蝕磨損35h后的SEM形貌Fig.3 The SEM morphology of surfacing WC tubular electrode specimen after 35herosion

圖4 胎體粉試件沖蝕磨損35h后的SEM形貌Fig.4 The SEM morphology of matrix powder specimen after 35herosion

圖5 滲碳、淬火試件沖蝕磨損35h后的SEM形貌Fig.5 The SEM morphology of carburizing and quenching specimen after 35herosion

圖6 微／納米復(fù)合涂層試件沖蝕磨損35h后的SEM形貌Fig.6 The SEM morphology of micro／nano composite coating specimen after 35herosion

圖7 刷鍍試件沖蝕磨損35h后的SEM形貌Fig.7 The SEM morphology of plating specimen after 35herosion

從圖3可以看出，堆焊WC管狀焊條試樣表面為圓形WC層，磨損主要表現(xiàn)為WC顆粒被含沙水流沖掉，形成許多塊狀的WC層，但是由于WC層較厚，基本還沒磨到基材。

從圖4可以看出，胎體粉試樣表層主要為疲勞磨損，胎體粉出現(xiàn)了大面積的剝落，露出金屬基材，因此35h后的磨損主要是金屬基材的磨損。

從圖5可以看出，滲碳、淬火試樣表面劃痕溝槽較深。這是因?yàn)樵谀チ５姆磸?fù)沖擊擠壓下，材料表面產(chǎn)生塑性變形，并經(jīng)多次的碾壓而形成片狀變形層，在層的邊緣開裂、翻邊，形成凹坑及凸起的唇片，繼而裂紋擴(kuò)展連接形成磨屑，磨損嚴(yán)重。

從圖6可以看出，微／納米復(fù)合材料試件涂層表面出現(xiàn)了沿沖蝕方向的犁溝，但磨損并不嚴(yán)重，圖6中白色顆粒為磨損掉落的涂層顆粒，但其表面的裂紋不是磨損所致，可能是涂層各層之間結(jié)合不緊密形成的。在沖蝕磨損工況下，磨粒對復(fù)合涂層的破壞主要是由沖擊作用造成的。當(dāng)基體內(nèi)蓄積的彈性變形能量達(dá)到一定程度時，若產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料的斷裂極限，就會發(fā)生切削；若產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料的塑性極限而低于材料的斷裂極限，則會形成裂紋進(jìn)而導(dǎo)致材料破壞[11］。微／納米復(fù)合涂層之所以能有效抗沖蝕磨損，其主要原因是微／納米抗磨蝕橡膠層中的聚氨酯彈性體能有效緩沖沖擊作用。另外，研究結(jié)果表明，在聚氨酯彈性體中加入微／納米顆粒后形成了較強(qiáng)的鍵合作用，能有效傳遞應(yīng)力和吸收沖擊能[12，13］。

從圖7可以看出，在磨粒的沖擊和微切削作用下，刷鍍層產(chǎn)生了與沖蝕方向一致的短程犁溝，呈現(xiàn)出波浪似的折皺，其中伴有微坑。其沖蝕磨損機(jī)理主要為犁溝切削，但磨損比較嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)流體機(jī)械過流部件的抗沖蝕磨損機(jī)理，優(yōu)選微／納米填料對有機(jī)復(fù)合彈性涂層的黏性底層和抗沖蝕橡膠層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了該涂層抗沖蝕磨損性能。

（2）通過與其他表面處理方法試件進(jìn)行35h的沖蝕對比實(shí)驗(yàn)，采用失重法得到?jīng)_蝕過程的質(zhì)量變化規(guī)律，結(jié)果表明微／納米復(fù)合材料試樣的抗沖蝕磨損性能最佳，堆焊WC管狀焊條試樣與刷鍍試樣次之，而滲碳、淬火和胎體粉試樣的抗沖蝕磨損性能最差。

（3）通過掃描電鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微／納米抗磨蝕橡膠層中的聚氨酯彈性體能有效緩沖磨粒的沖擊作用，因此耐沖蝕磨損性能最好，而其他幾種表面處理方法的磨損均比較嚴(yán)重。

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