離心式注水泵火焰超音速噴涂金屬陶瓷涂層性能試驗研究

王群章，潘向雷，李志和，鄧華兵，呂 震，楊德良

（1中國石油化工有限公司河南油田分公司采油一廠，河南 南陽474780；2濟南裕興化工有限責任公司，山東 濟南250100；3山東金萃冶金技術有限公司，山東 濟南271109）

1 前言

在油田采油生產過程中，需要將大量水源注入地下，注水設備始終伴隨著油田的建設和生產。多級離心式注水泵作為油田采油的重要設備，保證其安全可靠、長效節能運行是必不可少的一項工作。注水過程耗電占生產總耗電量的45%，是礦井開發最大的耗電環節。提高注水系統效率，降低注水電耗對控制礦井開發成本具有重要意義。由于注入水質復雜，對泵過流段葉輪、導葉腐蝕磨損加快，平均泵效在76%，大修周期1 a左右。因此，提高泵配件的耐磨性和抗腐蝕性是提高泵效的首要途徑。

金屬基碳化鎢陶瓷材料所特有的化學穩定性和高硬度，決定了其良好的耐腐蝕性和耐磨性，采用火焰超音速噴涂工藝制作的鎳基或鈷基碳化鎢陶瓷涂層又具有優良的耐氣蝕性能。金屬鑄件作為水泵過流部件的基體材料，具有機械強度高、可加工性強的特性，但鑄件表面耐氣蝕性能較差，往往在水泵過流部位因氣蝕而導致水泵功效降低甚至失效。在金屬鑄件表層復合一層金屬基碳化鎢陶瓷材料涂層，可以大幅度地提高水泵過流部件的耐磨、耐氣蝕性能，有效延長使用壽命［1-3］。為此，本研究采用火焰超音速噴涂工藝對注水泵葉輪、導葉過流面復合金屬陶瓷涂層提高表面耐沖蝕性能，實現延長使用壽命、提高水泵效率的目的。

2 離心式注水泵失效形式及原理

多級離心式注水泵主要的失效形式為磨損、腐蝕和斷裂，造成水泵失效的原因主要是沖蝕和氣蝕［4］。沖蝕的形成機理主要有以下幾種形式：噴砂型沖蝕；水滴沖蝕；泥漿沖蝕；氣蝕（空蝕）；氣體介質攜帶液滴和固體顆粒對材料的沖蝕；液體介質攜帶氣泡和固體顆粒對材料的沖蝕。

離心式注水泵運行時，由于離心力的作用在水泵葉輪銳角等處會形成小于液體溫度所對應的飽和壓力的低壓區，液體在該處發生汽化和溶解氣體逸出，形成小氣泡。這些氣泡隨流體從低壓區流向高壓區時，由于壓力變化使氣泡破裂凝結，形成局部的高真空區，在真空區域形成局部的高頻水錘。水錘連續作用在金屬表面上，致使金屬表面因逐漸疲勞而破壞［5］。另一方面，逸出的氣體中的活潑氣體在凝結時會放出的熱量，對金屬表面產生化學腐蝕作用，使金屬表面呈現蜂窩狀或海綿狀的腐蝕凹坑［6］，由于水泵運行的介質同時含有一定的泥沙等雜質，形成固體顆粒對葉輪的沖蝕，因此本試驗研究主要針對上述第六種沖蝕失效機理對水泵葉輪表面進行火焰超音速噴涂強化提高其表面抗沖蝕和磨損性能。

3 火焰超音速噴涂試驗材料及方法

噴涂材料包括：F505噴涂粉、WC10Co4Cr噴涂粉、WC20Cr7Ni噴涂粉、10-20 SiC砂、HF-1000超音速火焰噴涂機，試驗方案中采用兩種噴涂材料在45#鋼基體上復合不同金屬基碳化鎢陶瓷涂層，分別制作顯微硬度、金相分析、結合強度、耐空蝕性能檢測試樣，如表1所示，試樣工藝均為火焰超音速噴涂。

表1 HVOF處理試樣

4 涂層組織性能分析

4.1 金相觀察

將噴涂完的試樣沿橫向切開，按GB/T 13298—91金屬顯微組織檢驗方法要求將其截面制成金相試樣，采用DMI8-C萊卡金相顯微鏡觀察涂層試樣的顯微組織。不同涂層材料的組織形貌如圖1所示。

圖1 試樣涂層組織形貌 100×

由圖1可以看出，圖1b試樣晶粒較小，黑色與白色的不同析出相互交錯［7］，組織較細密并彌散分布一些細小孔洞，經檢測孔隙率約6%。而圖1a試樣的晶粒尺寸相對較大，檢測孔隙率大約8%。導致試樣中孔隙率不同的原因主要是涂層材料冷卻速率不同，冷卻速率快導致涂層過冷度增大，涂層在堆積過程中析出相擴散不充分形成一些彌散分布的微小孔洞。而隨著冷卻速率降低，涂層材料在堆積過程中析出相擴散充分，彌散分布的孔洞減少，從而組織也就更加細密。由圖中可以看出，涂層與基體界面呈鋸齒狀機械嵌合并沒有明顯的冶金反應，說明涂層與基體的結合形式主要是機械嵌合力，因此涂層界面的表面處理對涂層結合強度起重要作用。

4.2 涂層的結合強度

依據GB/T 8642—2002中所規定的熱噴涂—抗拉結合強度的測定方法，每種涂層拉3個試樣進行檢測，檢測結果如圖2、圖3所示，取3個使用結合強度的平均值作為涂層的結合強度，各涂層的結合強度如表2所示。

圖2 鈷基涂層拉伸后試樣

從圖2、圖3看出，涂層的斷裂大多發生在涂層之間的膠結層，說明涂層與基體的實際結合強度要大于試驗中粘結膠的結合強度［8］。從表2可以看出，兩種試樣涂層結合強度差距不大，涂層與基體結合強度的大小主要取決于打底層與基體的結合強度及涂層與打底層的結合強度。打底層選用的F505合金粉末中的Al在與基體結合過程中會發生放熱反應，形成一些彌散分布的微冶金結合點，能顯著提高涂層與基體的結合強度。因此打底層材料的選擇和噴涂質量的好壞對涂層的性能至關重要［9］。

圖3 鎳基涂層拉伸后試樣

表2 HVOF涂層的結合強度

4.3 涂層的顯微硬度

涂層的表面硬度測量是依據GB/T 4340.1中所規定的金屬顯微維氏硬度試驗方法，基體為45#鋼，涂層厚度約為0.6～0.8 mm。試驗設備為MVD-1000JMT2電腦數顯顯微維氏硬度計，涂層的顯微硬度結果見表3。

表3 HVOF涂層顯微硬度

從表3可以看出，火焰超音速噴涂合金碳化鎢涂層硬度明顯高于基體硬度，硬度與噴涂材料的性質緊密相關，但噴涂層硬度與噴涂材料硬度有區別，即使是同一種噴涂材料，涂層硬度通常也是不同的。在噴涂過程中冶金反應速度、冷卻速度、工藝參數的波動以及涂層組織結構的非均一性，造成噴涂涂層硬度的非均一性。

4.4 涂層抗氣蝕性能檢測

涂層的耐氣蝕性能測量是依據GBT 6383—2009中所規定制作標準試樣，檢測儀器為YPS17D-HB實驗級生化學，檢測結果見表4。

從表4結果中可以看出，鎳基自熔性合金粉末涂層試樣抗氣蝕性能較好。兩種合金粉末涂層經氣蝕性能測試30 mim后，表面均出現明顯的點蝕坑，但WC10Co4Cr涂層腐蝕更為嚴重，見圖4、圖5。

圖4 WC10Co4Cr涂層

圖5 WC20Cr7Ni涂層

表4 涂層氣蝕檢測結果

原因是由于火焰超音速涂層粉末加熱時間較短，鎳基粉末加熱至熔化后，在空氣中快速冷卻，部分元素未能擴散完全，導致涂層中相的析出不充分，因鎳基碳化鎢合金的C含量較高，合金中析出的碳化物相含量較多，耐磨性能提高，同時鎳基碳化鎢合金涂層所含Cr含量較高，在受到腐蝕時能生成Cr2O3鈍化膜，有效的阻止了腐蝕介質向涂層內部擴散，降低了合金的腐蝕速率。在析出碳化物相及鈍化膜的共同作用下，使涂層表面的耐氣蝕性能上升。

5 結論

5.1 通過對不同材質的火焰超音速噴涂涂層性能的比較分析得出，兩種合金碳化鎢粉末涂層表面顯微硬度都高于基體硬度，耐磨耐沖蝕能力顯著提高;

5.2 通過兩種涂層的結合強度檢測結果及涂層失效照片顯示，涂層的斷裂大多發生在涂層之間，說明涂層與基體的結合強度大于檢測用粘接劑的粘接強度，并且涂層與基體的結合強度與打底層和噴涂質量有顯著關系;

5.3 通過兩種涂層抗氣蝕性能檢測結論分析，鎳基自熔性合金涂層具有更優良的耐磨性能和耐氣蝕性能。