高含沙水流用水輪機葉片表面熱噴涂WC/Co涂層的性能

奚 南厲 晗俞立濤石淑琴

(1. 浙江機電職業技術學院，杭州 310053； 2. 水利部杭州機械設計研究所，杭州 310012; 3. 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; 4. 浙江立思能源科技股份有限公司,杭州 310051; 5. 眼力健(杭州)制藥有限公司,杭州 310018)

高含沙水流是黃土高原地區普遍存在的自然現象[1]。高含沙水流中攜帶了大量泥沙顆粒，其中細顆粒泥沙較多，并且含沙量很大[2]，這對該地區的水力發電設備(如黃河小浪底電站、三門峽電站等)特-別是水輪機葉片的耐沖蝕和汽蝕性能提出了很高的要求。水輪機在工作時，泥沙磨損、沖蝕和汽蝕都會對葉片產生嚴重的后果，輕時需停機檢修處理，重時需更換零部件甚至更換轉輪。另外，水輪機表面的磨損還會加劇汽蝕破壞，增大水輪機的振動。當水輪機的導水機構磨損嚴重時，漏水量將增大，從而影響其正常運行[3]。

由于熱噴涂碳化鎢/鈷金屬陶瓷涂層(以下稱WC/Co涂層)具有良好的硬度和韌性，因此作為耐磨涂層廣泛應用于航空航天、冶金、機械等領域[4]。熱噴涂技術是一種比較成熟的表面強化技術，可提高水輪機葉片表面的耐沖蝕和汽蝕性能。如高速火焰噴涂技術即高速氧-燃氣噴涂(HVOF)對水輪機過流部件起到了非常好的防護效果，創造了良好的經濟效益和社會效益[5]。從沖蝕、汽蝕產生的原因來看，水輪機表面涂層需同時具有高強度、高韌性及較高的顯微硬度。另外，涂層還要有一定的耐腐蝕性能。而單一材料難以滿足以上要求[6]。WC/Co是一種新型的金屬陶瓷復合材料。其中,WC為硬質相;Co為金屬黏接相，有一定的韌性，抗疲勞性能較好，能夠有效提高基體金屬表面的強度和韌性。因此，本工作采用新型高速火焰噴涂技術在水輪機葉片用06Cr13不銹鋼表面噴涂WC/Co涂層，并針對高含沙水流環境通過沖蝕、汽蝕試驗測試其相關性能。

1 試驗

1.1 涂層制備

表1 HVOF噴涂參數Tab. 1 Spray parameters of HVOF

噴涂前，對基體試樣進行除銹、除油以及表面粗化處理，然后在夾具上進行噴涂，熱噴涂WC/Co涂層的設計厚度為0.3 mm。

1.2 試驗方法

1.2.1 形貌和物相分析

對噴涂后試樣進行打磨拋光，然后采用Zeiss ULTRATM55型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察WC/Co涂層的形貌。利用KMM-500E型金相顯微鏡及其自帶軟件測WC/Co涂層的孔隙率。在PANalytical X′Pert PRO型X射線衍射儀(XRD)上對WC/Co涂層進行物相分析，采用銅靶Kα射線(λ=0.15 nm)，工作電壓為40 kV，電流為30 mA。

1.2.2 力學性能分析

采用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度測試儀在噴涂后試樣截面上測顯微硬度，載荷為1.96 N，加載時間為10 s，共測試了3個試樣。采用電子萬能試驗機測WC/Co涂層的結合力，試樣尺寸為φ22 mm，測試時采用專用調制的E7膠粘接。

1.2.3 沖蝕試驗

采用國產漿料沖蝕試驗機在高泥沙沖蝕環境中對噴涂后試樣進行測試。參照黃河小浪底電站真實環境確定漿料沖蝕試驗機中的泥沙含量，通過漿料流動使試樣表面與漿料進行相互作用，從而模擬水輪機葉片表面在高含沙水流中所發生的沖蝕行為，測試其涂層的耐沖蝕性能。沖蝕試樣尺寸為18.7 mm×18.7mm(共3組平行樣)，磨料為粒徑0.425～0.850 mm的石英砂與去離子水混合成的漿料(10 kg)，試驗機轉速為1 200 r/min，沖蝕時間為6 h，用帶有WC/Co涂層的試樣和不帶涂層的基體不銹鋼進行對比試驗。經洗凈、烘干后，采用精度為0.01 mg的電子天平對試樣進行稱量，并將磨蝕后的試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.2.4 汽蝕試驗

2.1 粒度分析 經激光粒度分布儀進行粒度分析，由圖1可看出，香菇普通粉的中位粒徑D50為348.438 μm；由圖2可看出，香菇超微粉的中位粒徑D50為22.247 μm。經過超微粉碎后的香菇普通粉平均粒徑降低15.8倍，且粒徑范圍較為集中。

在工作過程中，由于水輪機葉片背面壓力最低點小于水溫的汽化壓力，水就會汽化產生大量的水蒸氣形成氣泡，當這些氣泡進入流通部件表面的高壓區時會急劇破滅，形成局部的沖擊波，從而造成汽蝕破壞[7]。因此，針對高含沙水流地區的水輪機葉片汽蝕問題，參照美國ASTM G32-06標準，采用國產超聲波汽蝕試驗機對噴涂后試樣進行汽蝕試驗。工作頻率為(20±0.5)kHz，工作振幅為(50±2.5)μm，每過1 h取下試樣稱量，10 h后將試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察汽蝕后的形貌。

2 結果與討論

2.1 涂層形貌與物相

由圖1中可以看出，WC/Co涂層中主要相為WC相，因此能夠很好地提高涂層的硬度及耐磨性，而Co作為黏結相能夠使涂層保持良好的韌性；與WC/Co粉末的XRD譜對比發現，WC/Co涂層中W2C相增多，這說明WC/Co粉末在熱噴涂過程中由于受熱而發生部分脫碳。W2C相是一種脆性相，其硬度比WC相的低，因此W2C相的增多會影響涂層的硬度。由于HVOF噴涂時，粒子速度非常高且加熱溫度相對較低，受熱的高溫顆粒在空氣中飛行的時間很短，因此WC發生的脫碳現象較少，W2C相的含量也相對較低，WC/Co涂層仍然具有較高的硬度和較好的耐磨性。此外，在WC/Co涂層的XRD譜中并沒有發現其他新相，說明噴涂粒子在受熱過程中除了脫碳形成CO2氣體之外，沒有發生其他元素的氧化現象，HVOF噴涂在減少噴涂粒子的氧化方面具有較好的效果。

(a) WC/Co粉末

(b) WC/Co涂層圖1 WC/Co粉末和涂層的XRD譜Fig. 1 XRD patterns of WC/Co powders (a) and coating (b)

從圖2中可以看到，WC/Co涂層中有許多小孔，這是由熱噴涂的噴涂機理所導致的，是一種熱噴涂涂層常見的缺陷。通過金相顯微鏡自帶軟件，對圖2(b)中的孔洞進行統計可知，WC/Co涂層的孔隙率為0.68%。HVOF噴涂由于其焰流速度非常高，能夠使噴涂粒子具有很高的加速度，從而獲得孔隙率較低的高質量涂層。

從圖3(a)中可以看出，WC/Co涂層與基體結合處較為緊密，縫隙、夾雜等缺陷都非常少，因此涂層與基體具有較好的結合強度。根據圖3(b)中可知，WC/Co涂層表面大量的顏色較淺的顆粒狀或塊狀物均為WC相，其具有非常高的硬度，有利于提高涂層的耐磨性。

(a) 截面

(b) 表面及孔隙率圖2 WC/Co涂層的微觀形貌及孔隙率Fig. 2 Micro morphology and porosity of WC/Co coating: (a) cross-section; (b) surface and porosity

(a) 截面

2.2 涂層的力學性能

在噴涂后試樣的截面上沿著涂層到基體的直線分別取6個硬度測試點。其中，前4個點位于涂層上，后2個點位于基體上，如圖4(a)所示，測試結果如圖4(b)所示。結果表明，WC/Co涂層的平均硬度為1 211 HV，遠高于基體材料的硬度。因此，高硬度的WC/Co涂層能夠在高含沙水流環境中有效抵抗砂石顆粒的切削磨損。

(a) 測試位置

(b) 測試結果圖4 硬度測試位置與測試結果Fig. 4 Location (a) and result (b) of hardness testing

此外，通過拉伸試驗測得WC/Co涂層與基體的結合強度為70 MPa(一般要求水輪機葉片涂層與基體的結合強度不低于40 MPa[8])，較高的結合強度也能夠滿足涂層在高含沙水流中的耐剪切力和沖擊力的要求。

2.3 涂層的耐沖蝕性能

將帶有WC/Co涂層試樣與不帶涂層的基體試樣同時放置于含高含沙水流的漿料沖蝕試驗機中進行6 h沖蝕，統計其沖蝕前后的質量，計算磨損量(沖蝕前后質量差)，結果如表2所示。由表2中可以看出，在高含沙水流的沖蝕下，帶有WC/Co涂層試樣的磨損量明顯小于基體試樣的(前者約是后者的0.18倍)。因此，WC/Co涂層能夠有效提高基體在含沙水流中的耐沖蝕性能。

由于高含沙水流中的沖蝕以磨料磨損為主。硬質的細小沙粒與涂層表面相接觸并發生高速撞擊和摩擦，導致相對薄弱區域產生微裂紋，部分顆粒會嵌入涂層表面形成凹坑，如圖5(a)所示。局部放大后，可以觀察到更為明顯的凹坑、裂紋和局部變形，如圖5(b)所示。由于噴涂粉末不均勻，造成噴涂過程中部分區域的WC相顆粒較為粗大，且黏接相Co相的硬度相對于WC相的較低，因此在高含沙水流的沖擊下Co相發生較大的破壞，導致涂層局部變形甚至開裂；在高含沙水流的沖蝕下，黏結相破壞,使硬質WC相發生剝落，形成凹坑，導致涂層的耐沖蝕性能下降。

表2 沖蝕后兩種試樣的磨損量Tab. 2 Abrasion loss of two kinds of samples after erosion corrosion

(a) 低倍

(b) 高倍圖5 經6 h沖蝕后WC/Co涂層表面的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology of WC/Co coating surface after 6 h erosion corrosion at low (a) and high (b) magnifications

2.4 涂層的耐汽蝕性能

在汽蝕試驗過程中，WC/Co涂層的質量損失非常少，汽蝕10 h后質量損失僅為0.003 g，說明WC/Co涂層在耐汽蝕方面表現出了優異的性能。汽蝕是由于水中氣泡破滅產生超聲波引起的。在汽蝕的起始階段，汽蝕破壞優先在涂層表面缺陷如孔隙、微裂紋等處發生。而HVOF制備的WC/Co涂層表面較為致密，孔隙率低、表面缺陷少，因此具有較好的耐汽蝕性能。

由圖6中可以看出，經10 h超聲波汽蝕試驗后WC/Co涂層表面出現了不同程度的顆粒剝落、汽蝕坑及裂紋。這是由于在汽蝕初期，涂層表面缺陷處容易形成汽蝕源，隨著汽蝕的進行，汽蝕坑和裂紋不斷增加。裂紋的擴展使得涂層中的Co黏接相逐漸分離，硬質相WC顆粒失去附著而發生剝落，形成較大面積的汽蝕坑[9]。HVOF技術能夠使噴涂粒子獲得非常高的速度，有利于噴涂粒子的變形以及與基體的結合，減少涂層表面缺陷，大幅提高涂層的耐汽蝕性能。

(a) 低倍

(b) 高倍圖6 經過10 h汽蝕試驗后WC/Co涂層表面的SEM形貌Fig. 6 SEM morphology of WC/Co coating surface after 10 h cavitation test at low (a) and high (b) magnifications

針對沖蝕和汽蝕聯合作用，涂層不但要有一定的硬度、結合力，涂層之間還要有一定的內聚力即強韌性。此外，涂層晶粒中的相界和晶界對汽蝕產生的巨大水錘應力起到緩沖作用，并且可阻礙晶粒中裂紋的產生與擴展。所以在汽蝕作用區域，細化涂層晶粒，可增加相界和晶界，使汽蝕的破壞作用成倍減少，顯著提高涂層的耐沖蝕和汽蝕性能。

3 結論

(1) 采用HVOF技術在06Cr13不銹鋼表面制備了WC/Co涂層。該涂層的孔隙率、顯微硬度及其與基體的結合強度分別達到0.68%、1 211 HV、70 MPa。

(2) WC/Co涂層中的WC相使涂層具有優良的耐沖蝕性能，沖蝕試驗后其磨損量僅為06Cr13不銹鋼基體的0.18倍。

(3) WC/Co涂層表面具有良好的致密度、結合力及強韌性，因此涂層也具有優良的耐汽蝕性能。