Q235鋼表面超音速電弧噴涂制備FeCrBSiNi耐磨涂層的性能

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(1.水利部產品質量標準研究所，杭州 310012;2.水利部杭州機械設計研究所,杭州 310012; 3.水利部杭州機械設計研究所,浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，杭州 310012)

0 引 言

據統計，我國在用燃煤工業鍋爐有47萬余臺，占在用工業鍋爐的80%以上，每年消耗標準煤約4×108t，約占全國煤炭消耗總量的四分之一 。其中，在循環流化床鍋爐(CFB鍋爐)中煙煤、無煙煤、褐煤、泥煤、油頁巖、木屑、甘蔗渣、稻糠等固體燃料的粉塵濃度是煤粉鍋爐的幾十倍到上百倍，會對爐膛內受熱面造成沖刷和撞擊，因此爐膛內受熱面的磨損特別嚴重。爐膛內受熱面的爐管一般運行半年左右就會發生爆管，造成非計劃停爐次數增多，電廠效益大大降低[1-4]。因磨損造成的停爐次數約占鍋爐停爐總數的30%以上，因此磨損已成為影響CFB鍋爐穩定運行的最主要因素。

圖1 涂層橫截面的SEM形貌Fig.1 Cross section SEM morphology of the coating:(a) at low magnification and (b) at high magnification

采用超音速電弧噴涂技術制備耐磨層是一種可延長鍋爐運行周期且經濟有效的方法，但由于目前超音速電弧噴涂焰流速度一般在340.3～680.6 m·s-1，所制備涂層的結合強度一般只有30 MPa左右，涂層耐磨性能一般，且在使用過程中容易脫落，壽命很短，往往只有2～3 a，影響設備的正常使用[5-8]。研究表明，隨著焰流速度的提高，涂層的結合強度和耐磨性能提高[5-6]。FeCrBSiNi涂層是一種耐磨損、耐高溫腐蝕涂層，適于鍋爐內吹灰口、燃燒器附近和循環流化床鍋爐受熱面、風機葉片、鋼廠轉爐煙罩及煙道等部件，然而關于超音速電弧噴涂制備FeCrBSiNi涂層的研究很少。

為了解決工業鍋爐的磨損問題，作者采用自有專利、焰流速度可達1 701.5 m·s-1的一種新型超音速電弧噴槍及噴涂裝置[9]，在鍋爐用Q235鋼表面制備FeCrBSiNi涂層，研究了該涂層的性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用基體材料為市售Q235普通碳素鋼，噴涂前先用無水乙醇超聲清洗以去除污漬，然后用20#～30#的白剛玉砂進行噴砂粗化處理，壓力0.6 MPa，最后用丙酮清洗并烘干。噴涂材料為FeCrBSiNi復合藥芯絲材，化學成分(質量分數/%)為14～18Cr, 4～6B, 少量Ni和Si, 余Fe。

采用新型超音速電弧噴槍及噴涂裝置制備FeCrBSiNi涂層，以丙烷(C3H8)為燃料、空氣為助燃氣體。由前期試驗得到的優化工藝參數見表1，設定涂層厚度為0.25 mm。

表1 制備FeCrBSiNi涂層的工藝參數Tab.1 Process parameters of preparing FeCrBSiNi coating

1.2 試驗方法

噴涂結束后，對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光，然后在KMM-500E型光學顯微鏡下觀測涂層的孔隙率，測10個區域并求平均值。采用X’Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)對涂層進行物相分析，工作電壓為40 kV，電流為40 mA，靶材為銅，掃描角度為20°～100°，掃描速率為0.164(°)·s-1。采用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計測涂層的顯微硬度，載荷2.94 N，加載時間10 s，測10個點取平均值。采用HT-1000型摩擦磨損試驗機測涂層和Q235鋼基體的耐磨性能，對磨球材料為Si3N4，載荷為4.9 N，摩擦半徑為6 mm，轉速為1 120 r·min-1，試驗時間為180 min。試驗結束后將試樣清洗烘干，在精度為0.01 mg的電子天平上稱取質量，計算摩擦磨損前后的質量差。

按照GB/T 8642-2002，將試樣切割成φ25 mm的圓片，并采用專用薄膜膠進行黏結、固化，最后在SmartTest5T型萬能試驗機上進行拉伸試驗，測涂層與基體的結合強度，拉伸速度為0.5 mm·min-1。采用ULTRA55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的微觀形貌和斷口形貌，并用附帶的能譜儀對斷口進行元素面掃描。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織及相組成

試驗測得涂層的孔隙率較低，為0.71%。由圖1可知：涂層與基體的結合界面相對平整，起伏較小，涂層沒有明顯的分層現象，并且粒子都呈扁平狀，粒子與基體之間、粒子與粒子之間咬合較好，互相交錯，呈波浪式堆疊在一起；涂層的結構比較致密，孔洞較少，這說明在噴涂過程中粉體粒子在到達基體時具有較高的動能和焓值，從而使涂層結合緊密[10-11]。

由圖2可見：涂層中存在大量的非晶相，同時還出現了部分晶體相的衍射峰。非晶涂層中出現晶體相的原因為：一方面，在電弧噴涂過程中，絲材的快速熔化、霧化、凝固造成了熔滴中合金成分和涂層結構的不均勻，無法形成完全的非晶相塊體；另一方面，在電弧噴涂過程中熔融合金不可避免會發生氧化, 這也影響了非晶相的形成。

圖2 涂層的XRD譜Fig.2 XRD pattern of the coating

2.2 顯微硬度

硬度測試結果顯示，涂層的平均顯微硬度為720 HV0.3，遠高于Q235鋼基體的(132 HV0.3)。由此可以看出，在基體表面采用超音速電弧噴涂制備FeCrBSiNi涂層后，顯微硬度得到了顯著提高。這是因為：一方面，噴涂溫度較低，減少了粉體氧化率，使FeCrBSiNi涂層保持其原有的高硬度特性；另一方面，焰流速度非常快，在粉體沉積時形成較大內應力，使得涂層硬度提高[12-13]。

2.3 結合強度及斷裂機理

涂層界面的結合強度影響著涂層的力學性能，在一定程度上決定著涂層的使用壽命[14-15]。由測試結果可知，涂層與Q235鋼基體的結合強度較高，為60 MPa。

由圖3可知：斷裂發生在基體與涂層的界面處；放大后可以看到，斷口凹凸不平，這表明FeCrBSiNi涂層與基體以機械結合為主，二者緊密咬合在一起。此外，電弧噴涂FeCrBSiNi涂層時所產生的壓應力加強了涂層與基體的結合，因此涂層具有較高的結合強度。由于Q235鋼基體的熱膨脹系數大于涂層的，在噴涂過程中，基體溫度低，受熱后膨脹，而噴涂粉體經加熱、沉積、冷卻后發生強烈的收縮，從而導致在基體與涂層的界面處形成剪切應力，因此在拉伸過程中容易在基體與涂層界面處發生斷裂。

圖3 涂層試樣斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of the coating sample: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖4可以看出，涂層斷口中的元素分布比較均勻，沒有出現明顯的偏析現象。這是由于在噴涂過程中，隨著丙烷壓力和空氣壓力的增加、流量的增大，以及焰流速度的提高，射流的剛性隨之提高，粉體粒子不易被氧化，從而對粒子起到較好的保護作用，因此涂層具有較低的孔隙率，較高的硬度和結合強度[16-17]。

2.4 耐磨性能

由圖5可以看出，FeCrBSiNi涂層表面僅存在淺而細小的磨痕，而Q235鋼基體表面的磨痕較深。

由摩擦磨損試驗可知：基體的質量損失為0.123 76 g，FeCrBSiNi涂層的質量損失僅為0.004 42 g，基體的質量損失是涂層的28倍，這說明FeCrBSiNi涂層的耐磨性能遠優于基體的，這是由于涂層具有較低的孔隙率、較高的顯微硬度和結合強度。

3 結 論

(1) 超音速電弧噴涂制備的FeCrBSiNi涂層的孔隙率較低，為0.71%，涂層與基體的結合界面相對平整，涂層沒有明顯的分層現象，涂層結構致密，孔洞較少。

圖4 涂層試樣斷口的元素面掃描結果Fig.4 Surface scanning results of elements of the coating sample fracture

圖5 Q235鋼基體與FeCrBSiNi涂層經180 min磨損后的表面形貌Fig.5 Surface morphology of Q235 steel substrate and FeCrBSiNi coating after wear for 180 min

(2) FeCrBSiNi涂層的平均顯微硬度為720 HV0.3，遠高于Q235鋼基體的；涂層與基體的結合以機械結合為主，結合強度高達60 MPa；摩擦磨損試驗后，Q235鋼基體的質量損失是涂層的28倍，涂層的耐磨性能遠優于基體的。

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