超音速火焰噴涂WC涂層組織結(jié)構(gòu)、抗沖刷性能及抗氣蝕性能研究

孫友貝，王偉，李定駿，馮文，胡維成

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

截止2014年底，我國的水電裝機容量已經(jīng)突破3億千瓦，約占全球水電裝機總量的四分之一，躍居世界第一。作為利用效率高、調(diào)度靈活、開發(fā)經(jīng)濟(jì)的能源，水力發(fā)電在我國能源戰(zhàn)略中有著舉足輕重的地位。我國水電站建立在泥沙含量高、河流落差大的特殊位置，這種工況環(huán)境對水輪機過流部件，如葉輪、導(dǎo)葉等造成沖刷、磨損或氣蝕等損傷，對機組安全運行造成嚴(yán)重影響。若解決上述磨損問題對發(fā)電機組的影響，提高發(fā)電效率平均約1%，全國1億千瓦水電站機組將增加100萬千瓦的發(fā)電能力。按照每個葉輪200億元計算，如果葉輪使用壽命增加約10%，全國13 000臺水輪機將節(jié)約260億元。這是一個蘊藏巨大經(jīng)濟(jì)價值并且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要人們?nèi)コ浞职l(fā)掘[1-2]。

為解決此類問題，表面涂層技術(shù)是最為有效的途徑之一，該涂層技術(shù)設(shè)備簡單、成本較低，適用于現(xiàn)場操作，尤其適用于水輪機葉輪表面等較大面積的防護(hù)和修復(fù)，是一種節(jié)能且高效的防護(hù)技術(shù)。其中，超音速火焰噴涂是目前廣泛使用的一種水輪機過流部件表面耐磨涂層的制備方法之一。利用該技術(shù)制備的WC涂層具有結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合力強、抗沖刷磨損性能優(yōu)異等特點[1]。

本文研究超音速火焰噴涂技術(shù)制備兩種WC涂層，研究不同粉末下制備的涂層組織結(jié)構(gòu)，抗沖蝕及抗氣蝕性能研究，為水輪機過流部件中使用涂層的WC粉末篩選及耐磨涂層制備提供理論和技術(shù)支撐。

1 實驗方法

1.1 噴涂材料及方法

選用0Cr18Ni9不銹鋼作為耐磨涂層的基體；兩種耐磨涂層所用粉末分別為進(jìn)口WC-10Co-4Cr粉末和國產(chǎn)WC-10Co-4Cr粉末，兩種粉末的粒徑分布均為15～45 μm；采用超音速火焰噴涂設(shè)備制備兩種耐磨涂層，涂層厚度約為190～220 μm，噴涂參數(shù)如表1所示。

表1 噴涂參數(shù)

1.2 硬度及開裂韌性

在300 gf載荷下，測定兩種涂層的硬度。在顯微鏡下測定顯微硬度壓痕對角線長度的一半a和壓痕裂紋長度c，壓痕示意圖如圖1所示。

圖1 壓痕示意圖[3]

在5 kg載荷下，根據(jù)下列Wilshaw公式測定兩種涂層的開裂韌性Kc[4]。

其中：P為載荷，N；a為壓痕對角線長度一半，μm；c為壓痕中心至裂紋末端距離，μm。

1.3 沖刷試驗

沖刷試驗參數(shù)：沖刷顆粒為40～70目SiO2；沖刷液體為自來水；砂濃度為12%；沖刷時間為15 min，共沖刷2次；沖刷距離為25 mm；沖刷方式為 90°沖刷和 30°沖刷[5]。

1.4 氣蝕試驗

參照GB 6383-1986 （振動空蝕試驗方法）對上述涂層進(jìn)行周期為1 h共12 h的氣蝕試驗。氣蝕試驗參數(shù)：試驗溶液為900 mL蒸餾水，試驗溫度為25±1℃，設(shè)備頻率為 20±0.5 kHz，振幅為22±1 μm，試樣侵入溶液深度為3 mm。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)

圖2給出了兩種粉末下制備涂層的金相圖，從圖中可以看出進(jìn)口粉末制備的涂層與基材結(jié)合良好，涂層致密且氧化不明顯，涂層孔隙率約為0.07%；國產(chǎn)粉末制備的涂層與基材結(jié)合良好，涂層致密且氧化相對較多，涂層孔隙率約為0.085%。

圖2 耐磨涂層金相圖

2.2 涂層力學(xué)性能

表2給出了300 gf載荷下兩種涂層的硬度，從硬度值可以看出國產(chǎn)粉末下制備的涂層的硬度大于進(jìn)口粉末下制備的涂層，該結(jié)果主要是因為國產(chǎn)粉末制備的涂層氧化相對較多，產(chǎn)生較多脆性物質(zhì)，該脆性物質(zhì)硬度相對較大，從而導(dǎo)致該涂層硬度變化較大。

表2 涂層硬度

圖3給出了5 kg載荷下涂層的顯微硬度壓痕，根據(jù)開裂韌性公式分別計算出兩種涂層的開裂韌性，進(jìn)口粉末制備的涂層開裂韌性為3.13 MPam1/2；國產(chǎn)粉末制備的涂層開裂韌性為3.43 MPam1/2。一般情況下，涂層的硬度與開裂韌性成反比關(guān)系，即涂層硬度越大，涂層的開裂韌性越小，而上述試驗結(jié)果并未表現(xiàn)該關(guān)系，從上述組織結(jié)構(gòu)分析，由于國產(chǎn)粉末制備下的涂層孔隙率大于進(jìn)口粉末制備的涂層，對應(yīng)力具有釋放的作用，一定程度可以阻礙裂紋的擴(kuò)展；雖然國產(chǎn)粉末制備的涂層的氧化物較多，但總體含量并不高，一定量的氧化物對裂紋的擴(kuò)展可能具有 “釘扎”作用，某種程度可能阻礙了裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致了上述試驗結(jié)果[3]。

圖3 顯微壓痕金相圖

2.3 涂層抗沖刷性能

圖4給出了90°沖刷30 min后試樣的外觀形貌涂層，就表面的沖刷面積而言，可以觀察到基材的沖刷面積最大，其次是進(jìn)口粉末制備的涂層，最小的為國產(chǎn)粉末下制備的涂層；中心位置顏色較深，說明該處沖刷深度較大，周邊呈現(xiàn)白色，這主要是反光導(dǎo)致該現(xiàn)象。圖5給出了30°沖刷30 min后試樣的外觀形貌涂層，就表面的沖刷面積而言，可以觀察到基材的沖刷面積最大，其次是國產(chǎn)粉末制備的涂層，最小的為進(jìn)口粉末下制備的涂層；中心位置顏色較深，說明該處沖刷深度較大，周邊呈現(xiàn)白色，這主要是反光導(dǎo)致該現(xiàn)象。與90°沖刷方式相比，30°沖刷對三種試樣表面沖刷較大。由于國產(chǎn)粉末制備的涂層硬度大于進(jìn)口粉末制備的涂層，對外界顆粒的抗沖刷能力大；國產(chǎn)粉末制備的涂層開裂韌性大于進(jìn)口粉末制備的涂層，對裂紋的擴(kuò)展阻礙能力大于進(jìn)口粉末制備的涂層，相對而言前者涂層不易被撕掉，故而產(chǎn)生上述試驗結(jié)果。

圖4 90°沖刷30 min后，試樣表面外觀形貌圖

圖5 30°沖刷30 min后，試樣表面外觀形貌圖

經(jīng)過30 min，90°和30°沖刷試驗后，累計失重量大小均依次是基材、進(jìn)口、國產(chǎn)（90°：4.20 g×10-3/min、 3.36 g×10-3/min、 2.81 g×10-3/min； 30°：5.83 g×10-3/min、 3.64 g×10-3/min、 2.99 g×10-3/min）。由于不銹鋼和WC涂層的密度不一樣（不銹鋼密度～7.9 g/cm3； WC 涂層密度～14.6 g/cm3）， 故將試樣失重量轉(zhuǎn)換為體積磨損量，如圖6和圖7所示，從圖中可以看出，試樣的體積損失量大小依次為基材、進(jìn)口粉末制備的涂層、國產(chǎn)粉末制備的涂層，同一個試樣的單位時間體積磨損量隨著時間的增加是先增加后減小，開始階段由于試樣表面有較大的粗糙度，所以表面容易被沖刷掉，而隨后的沖刷，使得試樣表面逐漸光滑，粗糙度降低，試樣單位時間體積損失量降低。

圖6 90°沖刷，試樣體積磨損量

圖7 30°沖刷，試樣體積損失量

2.4 涂層抗氣蝕性能

圖8給出了不同氣蝕試驗時間后試樣的外觀形貌圖，從圖中可以看出，試樣經(jīng)過12 h氣蝕試驗后，基材中心處發(fā)暗，四周相對較亮，兩種涂層表面粗糙度變大，隨后涂層表面粗糙度變化不大，并且涂層表面逐漸從平面變成凹面，根據(jù)超聲波原理可以得出，涂層中心的振動影響較大，故越靠中心的位置涂層失重越大，最終導(dǎo)致了凹面的形狀。

圖8 12 h氣蝕后，試樣表面外觀形貌圖

經(jīng)過12 h氣蝕試驗后進(jìn)口粉末制備的涂層、基材以及國產(chǎn)粉末制備的涂層質(zhì)量損失量分別為42.37 g×10-3、 12.31 g×10-3和 22.67 g×10-3， 將質(zhì)量損失量轉(zhuǎn)換為體積損失量見圖9，從圖中可以直觀地看出，在相同時間點下，國產(chǎn)粉末下制備的涂層抗氣蝕能力優(yōu)于基材，而基材的抗氣蝕能力強于進(jìn)口粉末下制備的涂層。由于進(jìn)口粉末制備的涂層硬度和開裂韌性小于國產(chǎn)粉末制備的涂層，故而涂層的結(jié)合力相對較低，在超聲波作用下，進(jìn)口粉末制備的涂層相對其他試樣更容易脫落。氣蝕試驗開始階段，由于兩種涂層的體積損失量遠(yuǎn)大于基材的損失量，3 h后，三種試樣的單位時間內(nèi)的體積損失量逐漸趨于平穩(wěn)。由于開始階段涂層表面附有少許的外來物質(zhì) （丙酮清洗不可能徹底清除涂層表面外來物質(zhì)），在超聲波1 h的作用下，外來物質(zhì)將大大減少，且兩種涂層表面的粗糙度大于基材的粗糙度，容易在超聲波作用下脫落，故開始階段涂層的單位時間內(nèi)的體積損失量大，一段時間后，涂層外觀形貌隨時間的變化改變不大，即涂層粗糙度和腐蝕坑的大小和數(shù)量變化不大，涂層抗氣蝕能力逐漸趨于穩(wěn)定，從而使得涂層單位時間內(nèi)的損失量逐漸趨于平穩(wěn)。

3 結(jié)論

（1）相同參數(shù)下，兩種粉末制備的涂層與基材結(jié)合良好，兩種涂層的孔隙率均小于1%，但進(jìn)口粉末制備的涂層孔隙率低于國產(chǎn)粉末制備的涂層，進(jìn)口粉末制備的涂層氧化程度也低于國產(chǎn)粉末制備的涂層；

（2）國產(chǎn)粉末制備的WC涂層的硬度及開裂韌性均大于進(jìn)口粉末制備的WC涂層；

（3）相同試驗條件下，國產(chǎn)粉末制備的涂層抗沖刷性能優(yōu)于進(jìn)口粉末制備的涂層，進(jìn)口粉末制備的涂層抗沖刷性能優(yōu)于基材；

（4）相同試驗條件下，國產(chǎn)粉末制備的涂層抗氣蝕性能優(yōu)于基材，基材的抗氣蝕性能優(yōu)于進(jìn)口粉末制備的涂層。

綜上所述，選用國產(chǎn)WC-10Co-4Cr粉末，采用超音速火焰噴涂的WC耐磨涂層具有較好的抗沖刷性能和抗氣蝕性能，對0Cr18Ni9不銹鋼有很好的保護(hù)作用，且價格低廉 （價格僅為進(jìn)口WC-10Co-4Cr粉末的一半），在水輪機過流部件涂層保護(hù)上具有較好的應(yīng)用前景。