爆炸噴涂制備流體機(jī)械抗沖蝕涂層的性能

伏利，陳小明，馬紅海，劉偉，孟金博

(1. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310012；2. 水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，杭州 310012；3. 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012)

沖蝕普遍存在于水泵、水輪機(jī)等流體機(jī)械中。全國(guó)建有大型泵站共450處，裝機(jī)24 484臺(tái)，全國(guó)經(jīng)濟(jì)可開發(fā)并且技術(shù)可開發(fā)的電站數(shù)有11 000多座，其中30%左右泵站和電站的沖蝕問題十分突出。在泥沙的沖擊下，這些水泵和水輪機(jī)使用壽命往往難以超過 1年，每年因舊品淘汰和新品制造帶來350多億人民幣的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)帶來環(huán)境污染和大量的資源、能源浪費(fèi)[1?5]。由于沖蝕均發(fā)生在流體機(jī)械表面，所以采用熱噴涂技術(shù)在基體材料表面制備抗沖蝕涂層，是強(qiáng)化材料表面結(jié)構(gòu)提高抗沖蝕性能的有效途徑之一。目前常用的方法有超音速火焰噴涂和超音速等離子噴涂的方法制備WC/Co涂層。WC/Co涂層中的WC 顆粒作為硬質(zhì)相具有高硬度，而 Co作為粘結(jié)相把彌散的WC硬質(zhì)相顆粒粘結(jié)在一起，可提高涂層強(qiáng)度和韌性，使涂層的耐沖蝕性能更優(yōu)。但由于超音速火焰噴涂需要消耗大量的氧氣，而氧氣成本在逐年增加；超音速等離子噴涂需要消耗大量高純度的氬氣、氮?dú)?、氫氣，成本較高[6?8]。爆炸噴涂是一種獨(dú)具特色的熱噴涂技術(shù)，是以氧氣、氮?dú)?、丙烷、乙炔為燃料，原料用量較少，成本相對(duì)較低，具有很好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益[9?10]。爆炸燃燒后的氣體溫度約3 300 ℃，爆炸形成的焰流的速度高達(dá)2 500 m/s，該方法制備的涂層具有致密、孔隙率低、顯微硬度高、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是熱噴涂領(lǐng)域公認(rèn)的高新技術(shù)。如何在流體機(jī)械上利用爆炸噴涂制備出具有抗泥沙沖蝕功能的 WC/Co涂層對(duì)提高流體機(jī)械抗沖蝕能力具有重要意義。本文采用新型的CCDS-2000型爆炸噴涂系統(tǒng)制備WC-12Co抗沖蝕涂層，并研究其抗沖蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1 WC-12Co粉末SEM形貌Fig.1 SEM images of WC12Co powder

1.1 材料

基體材料為水輪機(jī)專用0Cr13Ni5Mo不銹鋼；粉末采用普萊克斯WC+12Co混合粉，粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%WC，12%Co，粉末粒徑為5~45 μm，粉末為燒結(jié)破碎粉，粉末顆粒形貌如圖1所示，WC顆粒包裹在粘結(jié)相Co中。

1.2 試樣制備及噴涂工藝

噴涂前基體先用酒精清洗試樣，去除表面油污，再用20~30目白剛玉對(duì)工件進(jìn)行噴砂粗化處理，噴砂角度為60°~80°，壓力為0.4 MPa，距離為80 mm，噴砂后要求表面粗糙度Ra：8~12 μm，噴砂后用壓縮空氣吹凈。

噴涂實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用俄羅斯進(jìn)口CCDS2000爆炸噴涂系統(tǒng)，該系統(tǒng)以丙烷、乙炔為燃料，氧氣作為助燃?xì)猓獨(dú)鉃樗头蹥?。工藝參?shù)優(yōu)化得到的爆炸噴涂WC-12CO工藝參數(shù)如表1所列。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)切割好的試樣鑲嵌后，采用標(biāo)樂 EcoMet30全自動(dòng)磨拋機(jī)進(jìn)行磨拋，然后在KMM-500E型光學(xué)顯微鏡下觀察涂層的孔隙率，測(cè)10個(gè)區(qū)域并求平均值。采用卡爾蔡司Supra 55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察涂層截面微觀結(jié)構(gòu)。采用荷蘭PANalytical X`Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)對(duì)涂層進(jìn)行物相分析。采用 HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度測(cè)試儀測(cè)涂層的顯微硬度，載荷200 gf，加載時(shí)間10 s，測(cè)10個(gè)點(diǎn)并求平均值。

表1 爆炸噴涂制備 WC-12Co涂層工藝參數(shù)Table 1 Spray parameters of WC/Co coating prepared by CCDS-2000

按照 HB7751—2004《爆炸噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試樣方法》的標(biāo)準(zhǔn)制備結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)用試樣，然后在SmartTest 5T萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，拉伸速度為0.5 mm/min。

利用LTM-200料漿沖蝕試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試條件為：轉(zhuǎn)速1 200 r/min，砂漿濃度30%，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)度為4 h。通過對(duì)基體和涂層試樣在沖蝕前后的質(zhì)量測(cè)量，得出質(zhì)量損失進(jìn)行比較。涂層和基體分別進(jìn)行3次對(duì)比試驗(yàn)，3次質(zhì)量損失的平均值作為試樣的質(zhì)量損失量。采用掃描電鏡觀察沖蝕后涂層表面微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層微觀結(jié)構(gòu)

圖2所示為爆炸噴涂WC-12CO涂層的微觀組織形貌，在低倍下觀察(圖2(a))涂層均勻致密，沒有明顯的連續(xù)貫通狀孔隙，涂層無明顯層狀結(jié)構(gòu)。這表明涂層是由熔化或者半熔化狀態(tài)的液滴撞擊基體后扁平化堆疊形成，當(dāng)粉末顆粒熔化狀態(tài)較好，速度較快時(shí)，瞬間撞擊基體扁平化形成的片層狀組織間界面會(huì)不太明顯甚至消失。將圖 2(a)放大觀察如圖 2(b)所示，涂層存在大量的WC顆粒，這些顆粒呈多邊形、球形及散碎形態(tài)，這些WC顆粒被粘結(jié)相的Co包圍著。涂層的孔隙多形成于WC顆粒的周圍，經(jīng)檢測(cè)涂層的平均孔隙率為 0.63%，平均顯微硬度為 1 305.6 HV0.2。較低的孔隙率和較高的硬度有利于提高涂層抗沖蝕性能。

圖2 WC-12Co涂層形貌Fig.2 Microstructures of WC-12Co coating

2.2 物相組成

爆炸噴涂WC-12Co的XRD結(jié)果如圖3所示，涂層中除了WC相和Co相之外，還存在W2C相。這主要是由于在噴涂過程中少量的WC顆粒直接與氧氣接觸氧化脫碳形成W2C相。W2C相的脆性較高，對(duì)涂層的耐磨性能造成不利的影響，在噴涂過程中應(yīng)盡量避免[11?13]。控制WC脫碳一般通過原始粉末性質(zhì)、噴涂設(shè)備和噴涂工藝三種渠道。在粉末和設(shè)備一定的情況下，主要通過控制噴涂工藝：氧燃比、氮?dú)夂考皣娡烤嚯x等參數(shù)，以減少WC與氧氣、空氣的接觸時(shí)間，從而減少WC被氧化脫碳的幾率。

2.3 結(jié)合強(qiáng)度

涂層的結(jié)合強(qiáng)度是衡量涂層力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)涂層抗沖蝕性能具有重要影響，在一定程度上決定著涂層的使用壽命。涂層拉伸曲線如圖4所示，測(cè)得涂層結(jié)合力為130 MPa。利用CCDS2000爆炸噴涂設(shè)備制備的 WC-Co涂層具有較高的結(jié)合力。這主要是因?yàn)楸▏娡克查g的粒子速度在700~800 m/s，遠(yuǎn)高于超音速噴涂和等離子噴涂的粒子速度，高的粒子速度能提高熔融、半熔融粒子的扁平化效果，使涂層的致密性更好，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度更高。

圖3 WC-12Co涂層的XRD譜Fig.3 XRD pattern of WC-12Co coating

圖4 WC-12Co涂層結(jié)合強(qiáng)度曲線Fig.4 Bonding strength curve of WC-12Co coating sprayed by CCDS 2000

2.4 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果

WC-12Co涂層和0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體在經(jīng)過4 h的沖蝕試驗(yàn)后，稱重測(cè)得基體的平均質(zhì)量損失為371.81 mg，涂層的平均質(zhì)量損失為78.06 mg，通過質(zhì)量損失比可得涂層的抗沖蝕能力是基體的4.76倍。爆炸噴涂制備 WC-12Co涂層具有良好的抗泥沙沖蝕性能，這主要得益于它較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度。

2.4.2 涂層沖蝕機(jī)理分析

涂層經(jīng)過4 h高速水流泥沙沖蝕試驗(yàn)后，置于掃描電子顯微鏡下觀察，如圖5所示。從圖5(a)和(b)可以看出，WC-12Co涂層經(jīng)過泥沙高速?zèng)_刷后，表面形成了犁溝，并伴有微裂紋。由于涂層是由熔融或半熔融的金屬液滴高速碰撞而扁平化后形成的，最后涂層以層狀搭接結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而在這些層狀搭接部位易形成孔隙等缺陷，這些缺陷往往是涂層結(jié)構(gòu)性能的薄弱區(qū)域。涂層在高速水流泥沙沖蝕下，涂層的薄弱區(qū)域首先發(fā)生破壞，裂紋也主要從這些微觀缺陷處開始，隨著沖蝕時(shí)間的積累，涂層中的結(jié)構(gòu)缺陷逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致涂層脫落[14?16]。

由圖5(c)和(d)可知，涂層無河流花樣、舌狀花樣等解理斷裂形貌，涂層中的疲勞裂紋的擴(kuò)展方式主要為穿晶斷裂擴(kuò)展，同時(shí)剝落層邊緣出現(xiàn)了部分臺(tái)階狀開裂的情況，且涂層內(nèi)部無明顯的沿晶斷裂，這主要是因?yàn)橥繉映尚螘r(shí)層狀搭接殘留部分層間裂紋，在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下逐步開裂脫落形成了臺(tái)階形貌。

利用CCDS-2000爆炸噴涂技術(shù)制備的WC-12Co涂層組織致密，孔隙率低，硬度與結(jié)合強(qiáng)度較高。沖蝕漿料中的沙粒首先將涂層中硬度較低的粘結(jié)相 Co沖刷掉，涂層中硬質(zhì)相WC便凸顯出來。從圖5(d)可以明顯看到裸露在外的為灰白色的 WC顆粒，這些WC硬質(zhì)顆粒在沖蝕過程中受高速泥沙的反復(fù)沖擊出現(xiàn)破碎，并與粘結(jié)相剝離最終脫落，造成了涂層的沖蝕磨損。

表2 WC-12Co涂層的沖蝕質(zhì)量損失Table 2 Abrasion mass loss of WC-12Co coating sprayed by CCDS 2000

圖5 WC-12Co涂層沖蝕后的SEM形貌Fig.5 Surface SEM morphologies of WC-12Co coating after abrasion

3 結(jié)論

1) 利用 CCDS-2000爆炸噴涂系統(tǒng)能夠獲得性能優(yōu)良的WC-12Co涂層，其硬度為1 305.6 HV0.2，與基體結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到130 MPa，孔隙率為0.63%。

2) 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，利用 CCDS-2000爆炸噴涂系統(tǒng)制備的WC-12Co涂層抗泥沙沖蝕性能良好(約為基體的4.76倍)。

3) 涂層內(nèi)部沖蝕裂紋的擴(kuò)展方式主要為穿晶斷裂和沿晶斷裂。