HVOF噴涂Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的組織結構及抗磨蝕性能

伏 利,陳小明,3,劉 偉,衛國英,毛鵬展,趙 堅

(1.水利部產品質量標準研究所,杭州 310024;2.水利部杭州機械設計研究所,杭州 310012; 3.北京科技大學,北京1000833;4.中國計量大學,杭州 310012)

水輪機是將水的勢能、動能轉化為電能的主要設備,其性能直接影響到水電站是否能夠正常運行。汽蝕是水輪機過流部件失效的主要形式之一,也是水輪機、水泵等水力機械過流部件表面普遍存在的問題。汽蝕使水輪機過流部件表面產生魚鱗坑或使表面呈海綿狀,破壞了表面原有的繞流條件,降低了水輪機效率和出力,嚴重時可使機組產生強烈的振動、噪音及負荷波動,導致機組不能安全穩定運行。嚴重汽蝕也會大大縮短機組的檢修周期,增加了機組檢修的復雜性,延長了維修工期,影響電力生產[1-5]。

磨蝕破壞主要發生在材料的表面,所以采用熱噴涂技術在基體材料表面制備抗磨涂層是強化材料表面結構、提高抗磨蝕性能的有效途徑之一,因此涂層必須具有高的硬度、強度和良好的韌性[6-7]。超聲速火焰噴涂技術(HVOF)是一種利用丙烷、乙炔、煤油等作為燃料,以高壓氧氣作為助燃劑的表面處理技術[8]。WC-12Co和25%NiCr-Cr3C2復合粉末作為熱噴涂常用的金屬陶瓷粉已經得到廣泛的應用,本工作利用HVOF噴涂制備了Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層,通過光學顯微鏡、顯微硬度計、沖擊韌性試驗機、摩擦磨損試驗機、掃描電子顯微鏡對比分析了涂層的組織結構、硬度、沖擊韌性、抗磨損性能,并探討涂層的磨蝕機理,為解決水輪機的磨蝕問題提供參考。

1 試驗

1.1 涂層的制備

以0Cr13Ni5Mo不銹鋼為基體材料,噴涂前將基體材料用乙醇清洗干凈并烘干,再用550～830 μm白剛玉進行毛化處理,噴砂角度為60°～80°,空氣壓力為0.4～0.5 MPa,噴砂距離為80～100 mm。毛化處理后的基體表面粗糙度為8～12 μm。

熱噴涂粉采用Cr3C2-25NiCr粉和WC-12Co粉,粉體都具有良好的球形度和良好的流動性,經團聚后形成的粉粒尺寸均在15～45 μm,其在掃描電鏡(SEM)下的微觀形貌如圖1所示。

(a) Cr3C2-25NiCr粉

(b) WC-12Co粉圖1 Cr3C2-25NiCr粉體和WC-12Co粉體的SEM圖Fig.1 SEM images of Cr3C2-25NiCr powders (a) and WC-12Co powders (b)

噴涂設備為國產超聲速火焰噴涂設備,該設備以航空煤油為燃料,氧氣為助燃氣體,氮氣為送粉載氣。工藝優化后Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的噴涂參數如表1所示。

表1 Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的噴涂參數Tab.1 Spraying parameters of Cr3C2-25NiCr coating and WC-12 cocoating

1.2 涂層的表征與測試

將切割好的涂層試樣鑲嵌磨拋,在KMM-500E型光學顯微鏡下,利用圖像法測量分析涂層的孔隙率,測10個區域并求平均值。采用顯微硬度計測涂層的顯微硬度,載荷為1.96 N。采用X’Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)對涂層進行物相分析。利用Zeiss Supra55掃描電子顯微鏡對涂層表面及截面進行微觀形貌觀察和顯微組織分析,并對汽蝕后涂層表面的形貌進行對比觀察,以分析不同結構涂層的海水汽蝕失效機理。

利用自主研發的SQC-T001高強高韌沖擊韌性試驗機對涂層試樣的沖擊韌性進行比較,并在RETC進口光學輪廓儀下觀察涂層沖擊后的凹坑,得到凹坑直徑和深度。沖擊韌性試驗中,沖擊功為12.94 J,由質量為880 g的球自1.5 m高處下落產生。

采用SQC-200三相流磨蝕試驗系統模擬水輪機在含石英砂水環境中的運行工況,通過加速磨蝕試驗測試試樣的抗磨蝕性能。試樣尺寸為18.7 mm×18.7 mm。轉速為1 200 r/min,石英砂與水的質量比為4∶6,試驗時間為6 h。采用精度為0.000 01 g的分析天平稱量試樣磨蝕試驗前后質量,通過失重法分析試樣的抗磨蝕性能。

2 結果與討論

2.1 涂層的顯微結構及物相分析

由圖2可見,HVOF制備的Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層,其硬質相與黏結相結合緊密,且彌散分布在黏結相中;兩種涂層組織結構致密,無明顯層狀結構,未出現裂紋等明顯缺陷,但都存在一定的孔隙。測量得到Cr3C2-25NiCr涂層的平均孔隙率約為0.97%,WC-12Co涂層的平均孔隙率約為0.56%。這些孔隙主要是噴涂粒子相互搭接堆積、熔融粒子體積收縮,以及熔融粒子中的氣體析出等原因造成的[9-11]。低孔隙可減少腐蝕通道的存在,提高涂層的耐腐蝕性能。硬度測試結果顯示,Cr3C2-25NiCr涂層的平均硬度為1 113 HV,WC-12Co涂層的平均硬度為1 241 HV,而0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的平均硬度為330 HV。WC-12Co涂層的孔隙率略低于Cr3C2-25NiCr涂層,而WC-12Co涂層的硬度要高于Cr3C2-25NiCr涂層。涂層的顯微硬度取決于顯微組織中基體的硬度,硬質相的組成、大小、分布,涂層的孔隙率,粒子之間的結合力及晶粒的大小等許多因素[12-14]。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層

(b) WC-12Co涂層圖2 兩種涂層截面的SEM圖Fig.2 SEM images of cross sections of Cr3C2-25NiCr coating (a) and WC-12Co coating (b)

圖3為Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的XRD譜。從圖3可知:Cr3C2-25NiCr涂層以Cr3C2、Cr7C3、(Ni、Cr)固溶體為主相,涂層中的Cr7C3相主要是由于部分Cr3C2脫碳氧化形成,Cr7C3相比Cr3C2相具有更好的韌性,這有利于提高涂層的抗磨蝕性能;WC-12Co涂層以WC相為主相,但也存在較弱的W2C相的衍射峰,說明在噴涂過程中,部分WC相中C與O2反應發生分解脫碳。雖然W2C相可以提高涂層的顯微硬度,但W2C相脆性大[15-16],會降低涂層的沖擊韌性和抗磨蝕性,在噴涂過程中應盡量避免。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層

(b) WC-12Co涂層圖3 兩種涂層的XRD譜Fig.3 XRD patterns of Cr3C2-25NiCr coating (a) and WC-12Co coating (b)

2.2 涂層的沖擊韌性

沖擊韌性試驗后,將Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層在置于光學輪廓儀下觀察其表面凹坑,結果如圖4所示。通過軟件分析得到,Cr3C2-25NiCr涂層的沖擊凹坑深度約55 μm,直徑約4.8 mm;WC-12Co涂層的沖擊凹坑深度約30 μm,直徑約3.5 mm;0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的沖擊凹坑深度約85 μm,直徑約7.0 mm。在相同的沖擊功下,Cr3C2-25NiCr涂層的變形大于WC-12Co涂層,但小于0Cr13Ni5Mo不銹鋼。這說明三種材料的沖擊韌性順序為WC-12Co涂層>Cr3C2-25NiCr涂層>0Cr13Ni5Mo不銹鋼。這也間接證明了WC-12Co涂層硬度最大,Cr3C2-25NiCr涂層硬度次之,0Cr13Ni5Mo不銹鋼硬度最小。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層

(b) WC-12Co涂層

(c) 0Cr13Ni5Mo不銹鋼圖4 兩種涂層和基體表面的沖擊凹坑Fig.4 Impact pits on surfaces of Cr3C2-25NiCr coating (a) WC-12Co coating and 0Cr13Ni5Mo stainless steel substrate (c)

2.3 涂層的抗磨蝕性能

由表2可見,經過6 h沖蝕試驗后,Cr3C2-25NiCr涂層、WC-12Co涂層與0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的質量損失分別為0.536 43,0.168 61,0.910 46 g。用基體與涂層的質量損失來評價材料的抗磨蝕性能。可見,Cr3C2-25NiCr涂層的抗磨蝕性能是0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的1.7倍;WC-12Co涂層的抗磨蝕性是0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的5.4倍,是Cr3C2-25NiCr涂層的3.2倍。涂層的抗磨蝕性能與涂層的顯微硬度、沖擊韌性有著直接關系,而WC-12Co涂層的顯微硬度、沖擊韌性均大于Cr3C2-25NiCr涂層,Cr3C2-25NiCr涂層的顯微硬度、沖擊韌性大于0Cr13Ni5Mo不銹鋼。這說明涂層的顯微硬度、沖擊韌性、抗磨蝕性能具有統一性。

表2 Cr3C2-25NiCr涂層與WC-12Co涂層的抗磨蝕性能Tab.2 Erosion corrosion resistance of Cr3C2-25NiCr coating and WC-12Co coating

圖5為Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層表面沖蝕后的微觀形貌。Cr3C2-25NiCr涂層表面具有較深的犁溝,如圖5(a)所示,高倍下可見涂層表面存在微裂紋和凹坑,如圖5(b)所示;在WC-12Co涂層表面可見大量凸出的涂層顆粒,如圖5(c)所示,在高倍下可見涂層顆粒呈斷裂形貌,并伴有微裂紋和凹坑,如圖5(d)所示。這主要是高速運動的砂粒首先切削掉硬度較低的金屬黏結相NiCr、Co,隨著磨蝕時間的推移,暴露的硬質相Cr3C2、WC受到石英砂的不斷撞擊發生切削斷裂或脫落,造成涂層的不斷磨損,此時砂粒對涂層表面的作用主要表現為犁削和撞擊兩個方面。在試驗過程中,轉盤高速旋轉形成強大的渦流,帶動砂粒在水中高速、劇烈運動,同時伴有大量的氣泡產生,而氣泡在涂層表面破裂的瞬間也會產生巨大的沖擊力。因此,從模擬試驗結果可知,在含有泥沙的流水、高速旋轉環境中,涂層的失效主要是砂粒、水、氣泡三相流復合磨蝕作用的結果。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層,低倍

(b) Cr3C2-25NiCr涂層,高倍

(c) WC-12Co涂層,低倍

(d) WC-12Co涂層,高倍圖5 Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層沖蝕后SEM形貌Fig.5 SEM images of Cr3C2-25NiCr coating (a,b) and WC-12Co coating (c,d) after erosion corrosion at low and high magnifications

3 結論

(1) 采用HVOF噴涂制備的WC-12Co涂層組織較為致密,硬質相粒子彌散分布在基體中,涂層無層狀分布,Cr3C2-25NiCr涂層組織存在少量孔洞。WC-12Co涂層的孔隙率為0.56%,平均顯微硬度為1 241 HV;Cr3C2-25NiCr涂層的孔隙率為0.97%,平均顯微硬度為1 113 HV。

(2) WC-12Co涂層的沖擊韌性高于Cr3C2-25NiCr涂層。

(3) 3種材料的抗磨蝕性能的順序為WC-12Co涂層>Cr3C2-25NiCr涂層>0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體。

(4) 涂層的磨蝕失效是由砂粒、水、氣泡三相流復合磨蝕作用引起的,主要表現為犁削和撞擊兩個方面。