ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層的抗磨蝕性能

毛鵬展，陳小明，周夏涼，馬紅海

（1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，杭州310012；2.水利部杭州機械設(shè)計研究所，杭州310012）

ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層的抗磨蝕性能

毛鵬展1，陳小明1，周夏涼1，馬紅海2

（1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，杭州310012；2.水利部杭州機械設(shè)計研究所，杭州310012）

采用超音速火焰（HVOF）熱噴涂工藝，在ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼上制備了納米WC-10Co-4Cr涂層。利用壓痕法和灰度法分別測試了涂層的顯微硬度和孔隙率，并利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子萬能試驗機和磨蝕試驗機分別對涂層的相結(jié)構(gòu)、表面形貌、結(jié)合強度和抗磨蝕性能進行了分析和測試。結(jié)果表明，獲得的WC-10Co-4Cr涂層的平均顯微硬度和結(jié)合強度高，分別達到1 435HV0.2和70.4 MPa，組織結(jié)構(gòu)致密。相對于ZG06Cr13Ni54Mo不銹鋼，納米WC-10Co-4Cr涂層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能，其抗磨蝕性能是ZG06Cr13Ni54Mo不銹鋼的10倍以上。

超音速火焰噴涂；涂層；WC-10Co-4Cr；磨蝕

磨蝕是表面破壞的一種方式，廣泛發(fā)生在機械設(shè)備的表面。在水力機械中，絕大多數(shù)部件的磨蝕破壞都是由進入氣體和液體流中的小固體顆粒的沖擊引起的。據(jù)2011年國家發(fā)改委和水利部發(fā)布的統(tǒng)計顯示，我國的大中型水電站中，132臺水輪機存在著磨蝕問題，占大中型水電站裝機容量的30%左右（不包括三峽電站），大型泵站中，40%的泵站存在著磨蝕問題［1-3］。磨蝕問題嚴重影響了水力機械的性能及使用壽命，危及安全的同時，也給國家造成巨大的經(jīng)濟損失。為解決磨蝕問題，研究人員通過選用抗磨母材、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、涂覆有機涂料等方法，來提高水力機械表面抗磨蝕性能［4-6］。這些方法雖在一定程度上改善了水力機械表面抗磨蝕性能，但效果不明顯，仍存在較為嚴重的磨蝕現(xiàn)象。

超音速火焰（High Velocity Oxy-Fuel，HVOF）噴涂作為近年來發(fā)展的一種高速火焰噴涂工藝，具有焰流溫度較低（2 800℃左右）、焰流速率高（最高可達2 400 m/s）等特點，由此制備的涂層具有致密度高，氧化物含量低，涂層與基體結(jié)合強度高等特點，為提高水力機械表面抗磨蝕性能提供了一種新的有效方法［7-14］。

本工作采用HVOF噴涂工藝，在ZG06Cr13Ni-4Mo不銹鋼上制備了納米WC-10Co-4Cr涂層，利用X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM），表征和分析了涂層的物相組成、微觀組織結(jié)構(gòu)，并測試了涂層的孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強度和抗磨蝕性能，并分析了涂層在含沙水流中的抗磨蝕機理。

1 試驗

1.1 試驗材料

噴涂材料采用納米WC-10Co-4Cr的粉末，晶粒尺寸為80～600 nm，團聚處理后的粉末粒度在5～40μm之間。噴涂基體和磨蝕對比材料選用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，其化學主要組成見表1。

表1 ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的主要成分Tab.1 The main ingredients of ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel %

1.2 涂層制備

使用SQC-5000國產(chǎn)超音速火焰噴涂設(shè)備，以航空煤油為燃料，氧氣作為助燃氣，氮氣為送粉載氣，結(jié)合以往的工藝參數(shù)，優(yōu)化后的噴涂參數(shù)如表2所示。

表2 HVOF噴涂參數(shù)Tab.2 The spraying parameters of HVOF coatings

噴涂前，對基體試樣進行除銹、除油處理，然后采用40目的白剛玉砂進行粗化處理，在特制的夾具上進行噴涂，涂層的設(shè)計厚度為240μm。

1.3 相結(jié)構(gòu)測試

用線切割加工出尺寸為8 mm×8 mm的帶有涂層的試樣，采用荷蘭帕那科公司生產(chǎn)的X′Pert PRO型X射線衍射儀（XRD）對涂層進行相結(jié)構(gòu)測試，陽極為銅靶，工作電壓為40 k V，電流30 m A。

1.4 顯微硬度測試

用線切割加工出尺寸為8 mm×8 mm的帶有涂層的試樣，經(jīng)過鑲嵌、初磨和拋光，然后用蔡司的ULTRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察涂層微觀形貌并用KMM-500E金相顯微鏡測試涂層的孔隙率，最后采用HXD-1000TMC/LCD顯微硬度測試儀測試涂層截面上有代表性10個點的顯微硬度，試驗載荷為200 g，加載時間為10 s。

1.5 結(jié)合強度測試

拉伸試樣尺寸為φ25 mm，試樣結(jié)合面采用專用薄膜膠黏接后，固定在特制的夾具上，并一起放入恒溫干燥箱中進行保溫，采用WDW-50萬能拉伸試驗機，按照GB/T 8642-2002標準進行涂層的結(jié)合強度試驗。

1.6 抗磨蝕性能測試

磨蝕試樣尺寸分別為18.7 mm×18.7mm，采用LTM-200型磨蝕試驗機進行試驗，磨料采用20～40目的石英砂10 kg和15 kg的去離子水混合而成，試驗機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，用帶有涂層的試樣和不帶涂層ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼作對比試驗。試樣磨蝕6 h后洗凈、烘干，采用精度為0.01 mg的電子天平稱量，并將磨蝕后的試樣置于場發(fā)射掃描電鏡下進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物相分析

HVOF涂層的X射線衍射結(jié)果如圖1所示，由XRD物相分析可知，涂層主要由WC和鈷組成，含有少量的W2C。這說明在噴涂過程中部分WC顆粒直接與氧氣接觸或者WC溶于液相鈷中，這樣WC中的碳直接或間接的與氧反應，從而發(fā)生脫碳形成W2C相，W2C會導致涂層脆性的增大，降低耐磨性能［6-7］。另外，涂層中沒有明顯的鉻相的衍射峰，一方面是因為鉻在材料中的含量較少；另一方面是因為X衍射儀采用的銅靶對鉻相不敏感。

2.2 涂層微觀組織

圖2為WC-10Co-4Cr涂層的橫截面的SEM形貌圖。從圖2中可以看出，使用HVOF制備的WC-10Co-4Cr涂層均勻且孔隙率較低，結(jié)構(gòu)致密，涂層無明顯層狀結(jié)構(gòu)。采用灰度法測量涂層孔隙率為0.55%，說明在噴涂過程中，噴涂粒子在到達基體時具有較高的動能和熱焓值，對基體的撞擊作用較強。涂層與基體之間結(jié)合緊密，這與結(jié)合強度試驗的結(jié)果一致。在高倍放大組織中還可明顯觀察到涂層存在少量孔洞，但孔隙率較低。

圖1 納米WC-10Co-4Cr涂層的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of nanoWC-10Co-4Cr coating

圖2 WC-10Co-4Cr涂層的橫截面SEM形貌Fig.2 Section morphology of the WC-10Co-4Cr coating

2.3 力學性能

2.3.1 結(jié)合強度

圖3為涂層與基體結(jié)合強度的拉伸試驗力與時間曲線，通過曲線測得涂層拉斷時的抗拉強度為70.4 MPa，斷裂方式為膠接面，實際涂層的結(jié)合強度要高于這個值，說明該涂層具有較高的結(jié)合強度。采用高強度膠黏接涂層，測試抗拉強度，最后實測的結(jié)果與很多因素有關(guān)，如涂層和對接試樣的表面粗糙度、黏接和固化的工藝以及拉伸條件等，若涂層與基體的結(jié)合強度較高，則采用這種方法很難準確地測出其實際結(jié)合強度。

圖3 納米WC-10Co-4Cr涂層與基體的拉伸試驗力-時間曲線Fig.3 The tensile test force-time curve of nano WC-10Co-4Cr coating and matrix

2.3.2 涂層顯微硬度

圖4為涂層和不銹鋼的平均顯微硬度，由圖4可以看出，涂層的顯微硬度遠高于不銹鋼基體。涂層平均顯微硬度為1 435HV0.2，相對于本次試驗的ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的顯微硬度（320.2 HV0.2）有很大的提高。這主要是超音速熱噴涂時，粉末中的大部分WC粒子沉積到涂層中，高含量的WC比例保證了涂層具有較高的硬度。

圖4 涂層與基體的顯微硬度Fig.4 Micro-hardness of coating and matrix

2.4 涂層抗磨蝕性能

分別對WC-10Co-4Cr涂層和ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼進行抗磨蝕試驗，表3為涂層與基體經(jīng)6 h磨蝕后失重對比情況。從表中可以看出，經(jīng)過6 h磨蝕，WC-10Co-4Cr涂層的失重量非常少（僅為0.052 61 g），而基體為0.54291g，相對于ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，超音速火焰噴涂的納米WC-10Co-4Cr涂層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能。

經(jīng)6 h磨蝕后，涂層表面形貌如圖5所示。

由圖5（a）涂層磨蝕區(qū)域低倍磨蝕形貌中可以

表3 HVOF涂層磨蝕失重情況Tab.3 Abrasion loss of HVOF coating

圖5 HVOF涂層經(jīng)過6 h磨蝕后SEM形貌Fig.5 SEM of HVOF coating after 6 h abrasion

看出被磨蝕的涂層表面局部有犁溝和較小的凹坑，但整體較為平整。由涂層磨蝕區(qū)域高倍磨損形貌可以看出，WC粒子周圍的粘結(jié)相表面有較明顯的劃痕（即較淺的犁溝），這些犁溝在遇到WC粒子時終止。有些WC粒子與周圍的粘結(jié)相開始發(fā)生剝離，有些WC粒子脫離粘結(jié)相，還有些WC粒子開始出現(xiàn)裂紋即將發(fā)生破裂。通過這些典型的形貌，可以推斷出WC-10Co-4Cr涂層的微觀磨蝕基理如下：在磨蝕過程中，由于WC顆粒之間的鈷粘結(jié)金屬硬度較低，鈷首先被切削和擠壓，但由于納米結(jié)構(gòu)細化了，提高了組織的硬度和韌性，使得應力容易通過結(jié)合界面得到釋放，使得破壞不會是太快，隨磨蝕過程的不斷進行，粘結(jié)相被切除掉，突出的WC粒子在砂粒的沖擊和切削下疲勞破碎。

3 結(jié)論

（1）采用超音速火焰噴涂（HVOF）工藝成功制備了WC-10Co-4Cr涂層，噴涂過程中，僅少量的WC發(fā)生了氧化分解。

（2）HVOF制備的納米WC-10Co-4Cr力學性能優(yōu)異，其顯微硬度和結(jié)合強度平均值分別達到1435 HV0.2和70.4 MPa，涂層致密，其孔隙率為0.55%。

（3）相對于ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，納米WC-10Co-4Cr涂層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能，其抗磨蝕性能是基體材料的10倍以上。

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Anti-abrasion Performance of WC-10Co-4Cr Coatings Fabricated by High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spray on ZG06Cr13Ni4Mo Steel

MAO Peng-zhan1，CHEN Xiao-ming1，ZHOU Xia-liang1，MA Hong-hai2
（1.Standard&Quality Control Research Institute，Ministry of Water Resources，Hangzhou 310012，China；2.Hangzhou Mechanical Design Research Institute，Ministry of Water Resources，Hangzhou 310012，China）

Nano WC-10Co-4Cr coating was deposited on ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel substrate using HVOF（high velocity oxy-fuel）spraying system.The properties of bond strength，micro hardness，porosity and abrasive wear of the coating were investigated.The phases of the coating were analyzed by XRD.The microstructure and surface morphology were analyzed by SEM.The results indicated that the WC-10Co-4Cr coating exhibited high bond strength，micro-hardness and compact structure，the average micro-hardness reached 1435HV0.2 and the bond strength was more than 70 MPa.Compared with the ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel，WC-10Co-4Cr coating exhibited excellent anti-abrasion property，the anti-abrasion property of the coating was more than 10 times than the ZG06Cr13Ni4Mo stainless steel.

HVOF spray；coating；WC-10Co-4Cr；abrasion

TG174.4

A

1005-748X（2015）09-0856-04

10.11973/fsyfh-201509013

2014-10-05

杭州西湖區(qū)社會發(fā)展科技項目（2012XSF01）；國家“948”項目（201218）；浙江省公益性應用技術(shù)研究項目（2013C31044）；杭州市科技發(fā)展計劃項目（20120433B35）

毛鵬展（1985-），工程師，碩士，從事表面強化及納米技術(shù)防護研究工作，18668127682，maomaodewy＠163. com