涂層對水力機械材料磨蝕性能影響的試驗研究

張 欣，吳佰杰，雷星星，尕藏才讓，盧金玲，王 凱

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048)

0 前 言

含沙水域中水力機械的磨蝕問題不可避免，水力機械磨蝕不僅會造成過流部件表面形態(tài)發(fā)生改變，加劇水力不穩(wěn)定，對出力及運行效率產生影響；此外磨蝕造成的材料破壞還會導致過流部件結構破壞失效，嚴重時使機組產生強烈振動、噪音和負荷波動，直接影響水力機械的安全穩(wěn)定性及服役壽命[1-2]。在我國西南和西北地區(qū)的高水頭、多泥沙流域，水力機械磨蝕問題尤為嚴重，每年因磨蝕問題造成大量的經(jīng)濟損失和能源浪費。因此，解決水力機械過流部件磨蝕問題十分迫切。

目前，針對水力機械磨蝕問題常采用的應對措施主要包括：①改善水力機械運行工況；②采用抗磨蝕材料；③水力機械設備改型優(yōu)化；④水力機械過流部件采用抗磨涂層。綜合考慮成本及可行性等因素后，應用最廣泛的方法就是利用表面工程技術對過流部件采用抗磨涂層。曹力等[3]采用超音速火焰噴涂技術與納米改性技術相結合在水輪機過流部件基體制備納米WC陶瓷涂層并應用于新疆卡拉貝利水電站，發(fā)現(xiàn)其具有顯著抗泥沙磨蝕效果。張瑞珠等[4]通過對水輪機葉片噴涂聚氨酯彈性涂層，發(fā)現(xiàn)其能夠有效減緩含沙水流對水輪機的磨蝕破壞，達到延長運行壽命目的。Wu等[5]在1Cr18Ni9Ti不銹鋼基體上制備了納米結構的WC-CoCr涂層，其產生的不定型相提高了涂層硬度，使涂層具有較好抗磨蝕性能。Romo等[6]采用焊條電弧焊技術在13-4鋼表面堆焊鈷基合金Stellite6，發(fā)現(xiàn)焊層的抗空蝕性能得到大幅度提高，同時整體抗磨蝕性能優(yōu)于基體。Paul等[7]在AISI 316L不銹鋼表面激光熔覆鐵基合金Metco-41C無鈷合金，發(fā)現(xiàn)其在空化作用下出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，因而具有優(yōu)良的抗磨性和抗空蝕性。

盡管抗磨蝕涂層技術在水力機械中應用越來越廣泛，但由于水力機械種類繁多，運行工況環(huán)境差異較大，同時涂層的噴涂方式多樣導致涂層性能不盡相同。為此，文章利用搭建的旋轉噴射磨蝕試驗裝置對4種已分別噴涂氧化鋁陶瓷(Al2O3)、鎳基合金(Ni60)、碳化鎢(WC)、鈷鉻鎢(CoCrW)涂層的水力機械過流部件常用材料進行對比試驗，借助XRD-7000型X射線衍射儀(X-ray diffractometer)及TESCAN VEGA3 XMU型高精度掃描電鏡(Scanning electron microscope，SEM)對涂層物相結構、元素含量以及磨蝕破壞形貌進行檢測、觀察及分析，探究不同基體材料在不同涂層下抗磨蝕破壞機理，同時對涂層的失效行為進行分析，為后續(xù)水力機械過流部件高抗磨蝕性能涂層的選取提供參考價值。

1 試驗設備及試驗材料

圖1為自行搭建的用于水力機械過流部件材料磨蝕試驗研究的旋轉噴射磨蝕試驗裝置[8]。整個試驗裝置由混水箱、調速電機、隔膜泵、穩(wěn)壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、試驗轉盤和控制柜等組成。試驗轉盤作為試驗的核心部件如圖2a所示。轉盤共有8處凹槽，按照同種材料采用對角放置原則可同時進行4種材料下8塊試件磨蝕試驗。試驗試件均通過統(tǒng)一加工尺寸大小相同。試驗運行中調速電機帶動轉盤旋轉，試驗試件沿周向均布于轉盤之上，試件表面均開設相同的空化誘發(fā)孔，在誘發(fā)口后方形成空蝕，同時含沙水流通過4個均布的直徑為2.5 mm的噴嘴噴射沖擊試驗試件，從而在試件表面形成空蝕與沖擊磨損的聯(lián)合作用，即磨蝕破壞。

圖1 旋轉噴射磨蝕試驗裝置

圖2 試驗轉盤及速度三角形示意

圖2b為試驗裝置速度三角形矢量圖，其中沖蝕速度W為相對速度V與圓周速度U的合速度，而V為含沙水流通過噴嘴時的噴射速度，其方向垂直于旋轉圓盤；U指旋轉圓盤上試驗試件空化誘發(fā)孔所在分度圓的線速度，其方向與分度圓旋轉方向相切，大小由拖動旋轉圓盤的調速電機控制。

本次試驗選用的4種材料分別為：16Mn、ZG20SiMn、45號碳素結構鋼及A型高錳鋼板，這些材料在水力機械過流部件及引水管道等有著廣泛應用。

2 試驗方法及參數(shù)設置

2.1 試驗方法簡述

試驗前用乙醇將經(jīng)噴涂處理厚度為0.3 mm的試件清洗、烘干后固定于試驗轉盤。整個試驗持續(xù)進行24 h，每3 h取樣一次，清洗和烘干后使用精度為0.1 mg的電子天平測量質量，對角放置的同種試件試驗前后質量差值的平均值作為該組質量損失。試驗過程中根據(jù)沙粒的磨損情況進行定期換沙以保證磨蝕過程中沙粒的幾何形狀保持一致。沙粒選用黃河花園口非規(guī)則塊狀沙，其中值粒徑為0.248 mm。圖3為試驗前及試驗6 h后沙粒幾何形貌，可以看出試驗前沙粒表面棱角分明局部存在較多凸起尖角，而6 h后沙粒表面凸起的尖角趨于圓滑，其磨損切削性能出現(xiàn)較大下降[9]。

圖3 試驗前后沙粒幾何形貌

2.2 試驗參數(shù)設置

為探究水力機械過流部件在不同涂層下抗磨蝕性能，試驗選取4種常用水力機械過流部件材料分別對其噴涂Al2O3陶瓷涂層、WC涂層、Ni60涂層以及CoCrW涂層，試驗時間設置為24 h，其中每間隔3 h取樣一次進行稱重分析，含沙量為3 kg/m3，沖擊角度為30°，沖擊速度為32 m/s，沙粒中值粒徑為0.248 mm。

3 涂層成分及性能分析

3.1 涂層能譜分析

TESCAN VEGA3 XMU型掃描電子顯微鏡不僅可以對試件進行表面形貌二維分析，還可以利用其配備的EDAX能譜分析儀對試件中元素的種類及分布進行點、線、面的定性及定量分析。通過分析發(fā)現(xiàn)：①Al2O3陶瓷涂層主要為鋁元素和氧元素，二者質量百分比分別為57.64%和42.36%，其中鋁元素晶體結構與金剛石類似具有較高硬度，涂層的性能由鋁、氧元素決定；②WC涂層中除碳元素和鎢元素外還有0.85% 的鈷元素，少量的鈷元素具有催化及粘合作用[10]；③Ni60涂層中除鎳元素外還有鉻元素與少量鐵元素，鉻元素對于提高涂層的硬度以及耐腐蝕性均具有明顯作用；④CoCrW涂層中鈷元素含量為51.51%，鉻元素含量為35.05%，同時含有部分鐵元素，作為司太立硬質合金的一種，高含量鈷元素能夠將整個合金中其他金屬碳化物晶體結合在一起，使其具有更高的韌性同時降低了對沖擊敏感性能，這種合金應用于零件可使零件壽命提高3～7倍[11-12]。

3.2 XRD分析

圖4為4種涂層X射線衍射圖，通過圖4可以看出各涂層物質的相結構及分布情況。圖4a中可以看到Al2O3陶瓷涂層主要存在α-Al2O3和γ-Al2O3兩種結構，其中α-Al2O3屬于三方晶系，在鋁的氧化物中是最穩(wěn)定的相，具有熔點高、硬度大、強度高、耐磨性好優(yōu)點，而γ-Al2O3屬于立方晶系，為多孔性、高分散度的固體物料，結構疏松，其比表面積活性較大[13-14]，具有優(yōu)異的吸附和催化性能，被廣泛當作吸附劑、催化劑以及載體應用于石油和化工行業(yè)。圖4b中WC涂層相組分為WC(主)、W2C、W，噴涂過程中碳化鎢因氧化脫碳而發(fā)生相變產生W2C和W。碳化鎢的相結構和含碳量對涂層的耐磨性具有很大影響，WC屬于六方結構，而W2C屬于偽六方結構，雖然在顯微硬度上W2C高于WC，但W2C是一個脆性相，其抗疲勞磨損性能較差，在磨損過程中易產生應力集中，裂紋先從W2C晶界產生并逐步向WC晶界擴展從而產生破壞，多次重復破壞會造成整個涂層開裂脫落[15-19]。圖4c中Ni60涂層主要由γ-(Ni，F(xiàn)e)、Cr1.12Ni2.88及Ni等相組成。涂層由呈枝晶生長的鎳基固溶體晶界化合物γ-(Ni，F(xiàn)e)組成，固溶體中除含有Ni之外較多的Fe也溶入其中，同時部分Cr也分布于固溶體中生成硬質相從而構成整個晶界耐磨骨架[20-21]。圖4d中CoCrW涂層XRD衍射分析圖譜峰值較為單一，通過與Co基標準圖譜進行對比發(fā)現(xiàn)峰位出現(xiàn)略微左移，根據(jù)布拉格公式2dsin θ=nλ，(晶體衍射基礎方程中，n為波長的整數(shù)倍，d為晶面間距，θ為衍射半角，λ為波長)可知X射線波長一定時，角度的減小造成d值變大即晶格變大，這表明Co中固溶有原子半徑較大元素即為元素W。通過固溶使得整個合金涂層具有較強的韌性及耐磨性。

圖4 涂層X射線衍射

4 試驗結果與討論

4.1 涂層失重分析

圖5為4種基體材料與其分別噴涂4種涂層的磨蝕累計損失質量柱狀對比。可以看出以16Mn、ZG20SiMn及45號碳素結構鋼為基體噴涂有Al2O3陶瓷涂層或WC涂層在經(jīng)過試驗后其磨蝕累計損失質量高于沒有噴涂涂層的基體試件，而以A型高錳鋼為基體噴涂有涂層的4種試件中僅噴涂Al2O3陶瓷涂層的磨蝕損失質量高于沒有噴涂涂層的A型高錳鋼試件。Ni60及CoCrW涂層在以上述4種材料為基體的試驗中磨蝕損失質量一直低于相應沒有噴涂涂層基體試件。同時，4種材料分別以基體試件的磨蝕損失質量為參考量，可對應計算出噴涂有不同涂層試件的磨蝕損失質量相對值。通過計算可以看出，16Mn試件在噴涂Al2O3陶瓷涂層后磨蝕累計損失質量為沒有噴涂涂層的基體磨蝕損失質量的1.46倍，而噴涂有Ni60或CoCrW涂層磨蝕損失質量僅為0.535及0.362倍，可以認為噴涂Ni60及CoCrW涂層起到了對基體材料的保護作用即抗磨蝕作用，而Al2O3陶瓷涂層和WC涂層則沒有起到抗磨蝕作用。

圖5 有無涂層損失質量對比

4.2 Al2O3陶瓷涂層失效分析

Al2O3陶瓷涂層作為一種硬度極高的耐磨涂層但在磨蝕試驗中損失質量卻最為嚴重，本文通過對噴涂有Al2O3陶瓷涂層的4種試件磨蝕表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)4種試件表面全都出現(xiàn)大面積涂層脫落現(xiàn)象，并且同一基體4種涂層中也僅Al2O3陶瓷涂層出現(xiàn)這一現(xiàn)象，這說明出現(xiàn)涂層脫落與基體材料無關，更多應從Al2O3陶瓷涂層對熱噴涂的適用性、制備過程工藝的規(guī)范性及Al2O3陶瓷涂層自身屬性進行分析討論。

圖6為以16Mn為基體噴涂有Al2O3陶瓷涂層的試件在試驗前后表面形貌。圖6中可以看出在高速含沙水流的沖擊作用下空化誘發(fā)孔后方出現(xiàn)涂層的脫落現(xiàn)象，同時在每間隔3 h對試件進行稱重時發(fā)現(xiàn)這種脫落不是直接從涂層底部脫落而是逐層進行直至最后整個涂層脫落露出基體材料，涂層脫落所造成的質量損失遠大于正常磨蝕破壞造成的質量損失，從而造成Al2O3陶瓷涂層無法對基體起到保護作用即抗磨蝕作用。

從Al2O3陶瓷涂層的結合強度及試件表面沖擊時涂層的剝落情況來看，Al2O3陶瓷涂層主要通過噴涂時的高速撞擊作用使得層與層及顆粒與顆粒之間進行機械咬合，并不是通過更加復雜內在的晶體中共價鍵或范德華力進行結合，同時涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)相差較大涂層與基體不浸潤，導致它們之間結合強度較低在受到拉力或者沖擊作用時容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。而其他幾種涂層噴涂后經(jīng)高溫熔化覆蓋于基體表面，涂層內部主要以化學鍵進行結合，結合強度較高因此沒有出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象[22]。

4.3 涂層表面形貌分析

由于Al2O3陶瓷涂層在抗磨蝕試驗中無法抵擋高速含沙水流的沖擊作用致使出現(xiàn)涂層大面積脫落質量損失嚴重涂層失效現(xiàn)象，因此在進行涂層磨蝕破壞形貌微觀分析時對Al2O3陶瓷涂層不做進一步討論，僅對WC、Ni60及CoCrW涂層進行相關對比研究，并結合涂層XRD物相分析從涂層的微觀組織結構探究其抗磨蝕破壞機理。

圖7是以16Mn為基體分別噴涂WC、Ni60及CoCrW 3種涂層在磨蝕試驗后表面形貌。相比于噴涂Al2O3陶瓷涂層在試驗后出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，這3種涂層與16Mn基體結合良好，僅在空化誘發(fā)孔后方因磨蝕破壞產生局部輕微磨損跡象。

圖8為16Mn試件基體及表面分別噴涂WC、Ni60及CoCrW涂層表面二維微觀磨蝕形貌示意。對比發(fā)現(xiàn)：

圖8 磨蝕破壞微觀形貌對比(2000X)

(1)噴涂有WC、Ni60及CoCrW涂層的試件表面沒有出現(xiàn)空蝕坑，這說明WC、Ni60及CoCrW涂層對試件表面起到了保護作用，具有一定的抗空蝕效果。

(2)16Mn基體表面圖8a和WC涂層表面圖8b相比Ni60和CoCrW涂層表面圖8c、8d出現(xiàn)數(shù)量較多的細小凹坑，這說明在含沙水流高速重復沖擊鍛打擠壓下16Mn基體及WC涂層出現(xiàn)因疲勞磨損脫落的現(xiàn)象，而Ni60和CoCrW涂層具有較好的抗疲勞磨損特性。

(3)WC、Ni60及CoCrW涂層試件相比16Mn基體試件在表面犁溝狀磨痕的長度、寬度及深度上都出現(xiàn)了一定的減小，這說明3種涂層都起到了一定的抗磨效果。結合涂層XRD物相分析發(fā)現(xiàn)WC涂層在噴涂過程中發(fā)生相變部分轉化為W2C和W，而W2C作為脆性相在反復沖擊磨損下易出現(xiàn)疲勞磨損而造成涂層破壞，同時相變脫碳產生的W相也會對涂層的耐磨性產生影響導致晶界出現(xiàn)較多裂紋，在含沙水流中沙粒的高速沖擊下產生質量損失[23]。

5 結 論

通過旋轉噴射磨蝕試驗裝置對4種水力機械過流部件常用材料進行4種涂層下抗磨蝕試驗研究，結合試驗數(shù)據(jù)及涂層表面形貌分析得到如下結論：

(1)Al2O3陶瓷涂層硬度較高具有較強耐磨性，但其涂層之間及涂層與基體之間結合強度不高，涂層孔隙率過大，造成在沖擊磨損過程中出現(xiàn)涂層的脫落，導致涂層失效未能起到抗磨蝕效果，不適用于沖擊磨損。

(2)WC涂層具有較好抗空蝕作用，但因噴涂過程中易發(fā)生氧化脫碳相變產生W2C及W，導致涂層整體抗疲勞磨損性能降低在高速含沙水流的沖擊作用下容易出現(xiàn)脫落造成失重損失。

(3)Ni60及CoCrW涂層與試件基體結合良好，涂層表面未出現(xiàn)明顯空蝕坑與疲勞磨損造成的凹坑，犁溝狀磨痕破壞程度較基體得到改善，涂層具有較好的抗磨蝕效果。

(4)CoCrW涂層對4種試件抗磨蝕作用最為明顯，通過噴涂CoCrW涂層可以將試件磨蝕失質量降低至一半及以下，極大的延長了設備的使用壽命。