涂層對(duì)水力機(jī)械材料磨蝕性能影響的試驗(yàn)研究

張 欣，吳佰杰，雷星星，尕藏才讓?zhuān)R金玲，王 凱

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 前 言

含沙水域中水力機(jī)械的磨蝕問(wèn)題不可避免，水力機(jī)械磨蝕不僅會(huì)造成過(guò)流部件表面形態(tài)發(fā)生改變，加劇水力不穩(wěn)定，對(duì)出力及運(yùn)行效率產(chǎn)生影響；此外磨蝕造成的材料破壞還會(huì)導(dǎo)致過(guò)流部件結(jié)構(gòu)破壞失效，嚴(yán)重時(shí)使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)、噪音和負(fù)荷波動(dòng)，直接影響水力機(jī)械的安全穩(wěn)定性及服役壽命[1-2]。在我國(guó)西南和西北地區(qū)的高水頭、多泥沙流域，水力機(jī)械磨蝕問(wèn)題尤為嚴(yán)重，每年因磨蝕問(wèn)題造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費(fèi)。因此，解決水力機(jī)械過(guò)流部件磨蝕問(wèn)題十分迫切。

目前，針對(duì)水力機(jī)械磨蝕問(wèn)題常采用的應(yīng)對(duì)措施主要包括：①改善水力機(jī)械運(yùn)行工況；②采用抗磨蝕材料；③水力機(jī)械設(shè)備改型優(yōu)化；④水力機(jī)械過(guò)流部件采用抗磨涂層。綜合考慮成本及可行性等因素后，應(yīng)用最廣泛的方法就是利用表面工程技術(shù)對(duì)過(guò)流部件采用抗磨涂層。曹力等[3]采用超音速火焰噴涂技術(shù)與納米改性技術(shù)相結(jié)合在水輪機(jī)過(guò)流部件基體制備納米WC陶瓷涂層并應(yīng)用于新疆卡拉貝利水電站，發(fā)現(xiàn)其具有顯著抗泥沙磨蝕效果。張瑞珠等[4]通過(guò)對(duì)水輪機(jī)葉片噴涂聚氨酯彈性涂層，發(fā)現(xiàn)其能夠有效減緩含沙水流對(duì)水輪機(jī)的磨蝕破壞，達(dá)到延長(zhǎng)運(yùn)行壽命目的。Wu等[5]在1Cr18Ni9Ti不銹鋼基體上制備了納米結(jié)構(gòu)的WC-CoCr涂層，其產(chǎn)生的不定型相提高了涂層硬度，使涂層具有較好抗磨蝕性能。Romo等[6]采用焊條電弧焊技術(shù)在13-4鋼表面堆焊鈷基合金Stellite6，發(fā)現(xiàn)焊層的抗空蝕性能得到大幅度提高，同時(shí)整體抗磨蝕性能優(yōu)于基體。Paul等[7]在AISI 316L不銹鋼表面激光熔覆鐵基合金Metco-41C無(wú)鈷合金，發(fā)現(xiàn)其在空化作用下出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，因而具有優(yōu)良的抗磨性和抗空蝕性。

盡管抗磨蝕涂層技術(shù)在水力機(jī)械中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但由于水力機(jī)械種類(lèi)繁多，運(yùn)行工況環(huán)境差異較大，同時(shí)涂層的噴涂方式多樣導(dǎo)致涂層性能不盡相同。為此，文章利用搭建的旋轉(zhuǎn)噴射磨蝕試驗(yàn)裝置對(duì)4種已分別噴涂氧化鋁陶瓷(Al2O3)、鎳基合金(Ni60)、碳化鎢(WC)、鈷鉻鎢(CoCrW)涂層的水力機(jī)械過(guò)流部件常用材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，借助XRD-7000型X射線衍射儀(X-ray diffractometer)及TESCAN VEGA3 XMU型高精度掃描電鏡(Scanning electron microscope，SEM)對(duì)涂層物相結(jié)構(gòu)、元素含量以及磨蝕破壞形貌進(jìn)行檢測(cè)、觀察及分析，探究不同基體材料在不同涂層下抗磨蝕破壞機(jī)理，同時(shí)對(duì)涂層的失效行為進(jìn)行分析，為后續(xù)水力機(jī)械過(guò)流部件高抗磨蝕性能涂層的選取提供參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

圖1為自行搭建的用于水力機(jī)械過(guò)流部件材料磨蝕試驗(yàn)研究的旋轉(zhuǎn)噴射磨蝕試驗(yàn)裝置[8]。整個(gè)試驗(yàn)裝置由混水箱、調(diào)速電機(jī)、隔膜泵、穩(wěn)壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤(pán)和控制柜等組成。試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤(pán)作為試驗(yàn)的核心部件如圖2a所示。轉(zhuǎn)盤(pán)共有8處凹槽，按照同種材料采用對(duì)角放置原則可同時(shí)進(jìn)行4種材料下8塊試件磨蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)試件均通過(guò)統(tǒng)一加工尺寸大小相同。試驗(yàn)運(yùn)行中調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)試件沿周向均布于轉(zhuǎn)盤(pán)之上，試件表面均開(kāi)設(shè)相同的空化誘發(fā)孔，在誘發(fā)口后方形成空蝕，同時(shí)含沙水流通過(guò)4個(gè)均布的直徑為2.5 mm的噴嘴噴射沖擊試驗(yàn)試件，從而在試件表面形成空蝕與沖擊磨損的聯(lián)合作用，即磨蝕破壞。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴射磨蝕試驗(yàn)裝置

圖2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤(pán)及速度三角形示意

圖2b為試驗(yàn)裝置速度三角形矢量圖，其中沖蝕速度W為相對(duì)速度V與圓周速度U的合速度，而V為含沙水流通過(guò)噴嘴時(shí)的噴射速度，其方向垂直于旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)；U指旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上試驗(yàn)試件空化誘發(fā)孔所在分度圓的線速度，其方向與分度圓旋轉(zhuǎn)方向相切，大小由拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的調(diào)速電機(jī)控制。

本次試驗(yàn)選用的4種材料分別為：16Mn、ZG20SiMn、45號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼及A型高錳鋼板，這些材料在水力機(jī)械過(guò)流部件及引水管道等有著廣泛應(yīng)用。

2 試驗(yàn)方法及參數(shù)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)述

試驗(yàn)前用乙醇將經(jīng)噴涂處理厚度為0.3 mm的試件清洗、烘干后固定于試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤(pán)。整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行24 h，每3 h取樣一次，清洗和烘干后使用精度為0.1 mg的電子天平測(cè)量質(zhì)量，對(duì)角放置的同種試件試驗(yàn)前后質(zhì)量差值的平均值作為該組質(zhì)量損失。試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)沙粒的磨損情況進(jìn)行定期換沙以保證磨蝕過(guò)程中沙粒的幾何形狀保持一致。沙粒選用黃河花園口非規(guī)則塊狀沙，其中值粒徑為0.248 mm。圖3為試驗(yàn)前及試驗(yàn)6 h后沙粒幾何形貌，可以看出試驗(yàn)前沙粒表面棱角分明局部存在較多凸起尖角，而6 h后沙粒表面凸起的尖角趨于圓滑，其磨損切削性能出現(xiàn)較大下降[9]。

圖3 試驗(yàn)前后沙粒幾何形貌

2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為探究水力機(jī)械過(guò)流部件在不同涂層下抗磨蝕性能，試驗(yàn)選取4種常用水力機(jī)械過(guò)流部件材料分別對(duì)其噴涂Al2O3陶瓷涂層、WC涂層、Ni60涂層以及CoCrW涂層，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為24 h，其中每間隔3 h取樣一次進(jìn)行稱(chēng)重分析，含沙量為3 kg/m3，沖擊角度為30°，沖擊速度為32 m/s，沙粒中值粒徑為0.248 mm。

3 涂層成分及性能分析

3.1 涂層能譜分析

TESCAN VEGA3 XMU型掃描電子顯微鏡不僅可以對(duì)試件進(jìn)行表面形貌二維分析，還可以利用其配備的EDAX能譜分析儀對(duì)試件中元素的種類(lèi)及分布進(jìn)行點(diǎn)、線、面的定性及定量分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：①Al2O3陶瓷涂層主要為鋁元素和氧元素，二者質(zhì)量百分比分別為57.64%和42.36%，其中鋁元素晶體結(jié)構(gòu)與金剛石類(lèi)似具有較高硬度，涂層的性能由鋁、氧元素決定；②WC涂層中除碳元素和鎢元素外還有0.85% 的鈷元素，少量的鈷元素具有催化及粘合作用[10]；③Ni60涂層中除鎳元素外還有鉻元素與少量鐵元素，鉻元素對(duì)于提高涂層的硬度以及耐腐蝕性均具有明顯作用；④CoCrW涂層中鈷元素含量為51.51%，鉻元素含量為35.05%，同時(shí)含有部分鐵元素，作為司太立硬質(zhì)合金的一種，高含量鈷元素能夠?qū)⒄麄€(gè)合金中其他金屬碳化物晶體結(jié)合在一起，使其具有更高的韌性同時(shí)降低了對(duì)沖擊敏感性能，這種合金應(yīng)用于零件可使零件壽命提高3～7倍[11-12]。

3.2 XRD分析

圖4為4種涂層X(jué)射線衍射圖，通過(guò)圖4可以看出各涂層物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)及分布情況。圖4a中可以看到Al2O3陶瓷涂層主要存在α-Al2O3和γ-Al2O3兩種結(jié)構(gòu)，其中α-Al2O3屬于三方晶系，在鋁的氧化物中是最穩(wěn)定的相，具有熔點(diǎn)高、硬度大、強(qiáng)度高、耐磨性好優(yōu)點(diǎn)，而γ-Al2O3屬于立方晶系，為多孔性、高分散度的固體物料，結(jié)構(gòu)疏松，其比表面積活性較大[13-14]，具有優(yōu)異的吸附和催化性能，被廣泛當(dāng)作吸附劑、催化劑以及載體應(yīng)用于石油和化工行業(yè)。圖4b中WC涂層相組分為WC(主)、W2C、W，噴涂過(guò)程中碳化鎢因氧化脫碳而發(fā)生相變產(chǎn)生W2C和W。碳化鎢的相結(jié)構(gòu)和含碳量對(duì)涂層的耐磨性具有很大影響，WC屬于六方結(jié)構(gòu)，而W2C屬于偽六方結(jié)構(gòu)，雖然在顯微硬度上W2C高于WC，但W2C是一個(gè)脆性相，其抗疲勞磨損性能較差，在磨損過(guò)程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋先從W2C晶界產(chǎn)生并逐步向WC晶界擴(kuò)展從而產(chǎn)生破壞，多次重復(fù)破壞會(huì)造成整個(gè)涂層開(kāi)裂脫落[15-19]。圖4c中Ni60涂層主要由γ-(Ni，F(xiàn)e)、Cr1.12Ni2.88及Ni等相組成。涂層由呈枝晶生長(zhǎng)的鎳基固溶體晶界化合物γ-(Ni，F(xiàn)e)組成，固溶體中除含有Ni之外較多的Fe也溶入其中，同時(shí)部分Cr也分布于固溶體中生成硬質(zhì)相從而構(gòu)成整個(gè)晶界耐磨骨架[20-21]。圖4d中CoCrW涂層X(jué)RD衍射分析圖譜峰值較為單一，通過(guò)與Co基標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)峰位出現(xiàn)略微左移，根據(jù)布拉格公式2dsin θ=nλ，(晶體衍射基礎(chǔ)方程中，n為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，d為晶面間距，θ為衍射半角，λ為波長(zhǎng))可知X射線波長(zhǎng)一定時(shí)，角度的減小造成d值變大即晶格變大，這表明Co中固溶有原子半徑較大元素即為元素W。通過(guò)固溶使得整個(gè)合金涂層具有較強(qiáng)的韌性及耐磨性。

圖4 涂層X(jué)射線衍射

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 涂層失重分析

圖5為4種基體材料與其分別噴涂4種涂層的磨蝕累計(jì)損失質(zhì)量柱狀對(duì)比。可以看出以16Mn、ZG20SiMn及45號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼為基體噴涂有Al2O3陶瓷涂層或WC涂層在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后其磨蝕累計(jì)損失質(zhì)量高于沒(méi)有噴涂涂層的基體試件，而以A型高錳鋼為基體噴涂有涂層的4種試件中僅噴涂Al2O3陶瓷涂層的磨蝕損失質(zhì)量高于沒(méi)有噴涂涂層的A型高錳鋼試件。Ni60及CoCrW涂層在以上述4種材料為基體的試驗(yàn)中磨蝕損失質(zhì)量一直低于相應(yīng)沒(méi)有噴涂涂層基體試件。同時(shí)，4種材料分別以基體試件的磨蝕損失質(zhì)量為參考量，可對(duì)應(yīng)計(jì)算出噴涂有不同涂層試件的磨蝕損失質(zhì)量相對(duì)值。通過(guò)計(jì)算可以看出，16Mn試件在噴涂Al2O3陶瓷涂層后磨蝕累計(jì)損失質(zhì)量為沒(méi)有噴涂涂層的基體磨蝕損失質(zhì)量的1.46倍，而噴涂有Ni60或CoCrW涂層磨蝕損失質(zhì)量?jī)H為0.535及0.362倍，可以認(rèn)為噴涂Ni60及CoCrW涂層起到了對(duì)基體材料的保護(hù)作用即抗磨蝕作用，而Al2O3陶瓷涂層和WC涂層則沒(méi)有起到抗磨蝕作用。

圖5 有無(wú)涂層損失質(zhì)量對(duì)比

4.2 Al2O3陶瓷涂層失效分析

Al2O3陶瓷涂層作為一種硬度極高的耐磨涂層但在磨蝕試驗(yàn)中損失質(zhì)量卻最為嚴(yán)重，本文通過(guò)對(duì)噴涂有Al2O3陶瓷涂層的4種試件磨蝕表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)4種試件表面全都出現(xiàn)大面積涂層脫落現(xiàn)象，并且同一基體4種涂層中也僅Al2O3陶瓷涂層出現(xiàn)這一現(xiàn)象，這說(shuō)明出現(xiàn)涂層脫落與基體材料無(wú)關(guān)，更多應(yīng)從Al2O3陶瓷涂層對(duì)熱噴涂的適用性、制備過(guò)程工藝的規(guī)范性及Al2O3陶瓷涂層自身屬性進(jìn)行分析討論。

圖6為以16Mn為基體噴涂有Al2O3陶瓷涂層的試件在試驗(yàn)前后表面形貌。圖6中可以看出在高速含沙水流的沖擊作用下空化誘發(fā)孔后方出現(xiàn)涂層的脫落現(xiàn)象，同時(shí)在每間隔3 h對(duì)試件進(jìn)行稱(chēng)重時(shí)發(fā)現(xiàn)這種脫落不是直接從涂層底部脫落而是逐層進(jìn)行直至最后整個(gè)涂層脫落露出基體材料，涂層脫落所造成的質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于正常磨蝕破壞造成的質(zhì)量損失，從而造成Al2O3陶瓷涂層無(wú)法對(duì)基體起到保護(hù)作用即抗磨蝕作用。

從Al2O3陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度及試件表面沖擊時(shí)涂層的剝落情況來(lái)看，Al2O3陶瓷涂層主要通過(guò)噴涂時(shí)的高速撞擊作用使得層與層及顆粒與顆粒之間進(jìn)行機(jī)械咬合，并不是通過(guò)更加復(fù)雜內(nèi)在的晶體中共價(jià)鍵或范德華力進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)相差較大涂層與基體不浸潤(rùn)，導(dǎo)致它們之間結(jié)合強(qiáng)度較低在受到拉力或者沖擊作用時(shí)容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。而其他幾種涂層噴涂后經(jīng)高溫熔化覆蓋于基體表面，涂層內(nèi)部主要以化學(xué)鍵進(jìn)行結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高因此沒(méi)有出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象[22]。

4.3 涂層表面形貌分析

由于Al2O3陶瓷涂層在抗磨蝕試驗(yàn)中無(wú)法抵擋高速含沙水流的沖擊作用致使出現(xiàn)涂層大面積脫落質(zhì)量損失嚴(yán)重涂層失效現(xiàn)象，因此在進(jìn)行涂層磨蝕破壞形貌微觀分析時(shí)對(duì)Al2O3陶瓷涂層不做進(jìn)一步討論，僅對(duì)WC、Ni60及CoCrW涂層進(jìn)行相關(guān)對(duì)比研究，并結(jié)合涂層X(jué)RD物相分析從涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)探究其抗磨蝕破壞機(jī)理。

圖7是以16Mn為基體分別噴涂WC、Ni60及CoCrW 3種涂層在磨蝕試驗(yàn)后表面形貌。相比于噴涂Al2O3陶瓷涂層在試驗(yàn)后出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，這3種涂層與16Mn基體結(jié)合良好，僅在空化誘發(fā)孔后方因磨蝕破壞產(chǎn)生局部輕微磨損跡象。

圖8為16Mn試件基體及表面分別噴涂WC、Ni60及CoCrW涂層表面二維微觀磨蝕形貌示意。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

圖8 磨蝕破壞微觀形貌對(duì)比(2000X)

(1)噴涂有WC、Ni60及CoCrW涂層的試件表面沒(méi)有出現(xiàn)空蝕坑，這說(shuō)明WC、Ni60及CoCrW涂層對(duì)試件表面起到了保護(hù)作用，具有一定的抗空蝕效果。

(2)16Mn基體表面圖8a和WC涂層表面圖8b相比Ni60和CoCrW涂層表面圖8c、8d出現(xiàn)數(shù)量較多的細(xì)小凹坑，這說(shuō)明在含沙水流高速重復(fù)沖擊鍛打擠壓下16Mn基體及WC涂層出現(xiàn)因疲勞磨損脫落的現(xiàn)象，而Ni60和CoCrW涂層具有較好的抗疲勞磨損特性。

(3)WC、Ni60及CoCrW涂層試件相比16Mn基體試件在表面犁溝狀磨痕的長(zhǎng)度、寬度及深度上都出現(xiàn)了一定的減小，這說(shuō)明3種涂層都起到了一定的抗磨效果。結(jié)合涂層X(jué)RD物相分析發(fā)現(xiàn)WC涂層在噴涂過(guò)程中發(fā)生相變部分轉(zhuǎn)化為W2C和W，而W2C作為脆性相在反復(fù)沖擊磨損下易出現(xiàn)疲勞磨損而造成涂層破壞，同時(shí)相變脫碳產(chǎn)生的W相也會(huì)對(duì)涂層的耐磨性產(chǎn)生影響導(dǎo)致晶界出現(xiàn)較多裂紋，在含沙水流中沙粒的高速?zèng)_擊下產(chǎn)生質(zhì)量損失[23]。

5 結(jié) 論

通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴射磨蝕試驗(yàn)裝置對(duì)4種水力機(jī)械過(guò)流部件常用材料進(jìn)行4種涂層下抗磨蝕試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及涂層表面形貌分析得到如下結(jié)論：

(1)Al2O3陶瓷涂層硬度較高具有較強(qiáng)耐磨性，但其涂層之間及涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度不高，涂層孔隙率過(guò)大，造成在沖擊磨損過(guò)程中出現(xiàn)涂層的脫落，導(dǎo)致涂層失效未能起到抗磨蝕效果，不適用于沖擊磨損。

(2)WC涂層具有較好抗空蝕作用，但因噴涂過(guò)程中易發(fā)生氧化脫碳相變產(chǎn)生W2C及W，導(dǎo)致涂層整體抗疲勞磨損性能降低在高速含沙水流的沖擊作用下容易出現(xiàn)脫落造成失重?fù)p失。

(3)Ni60及CoCrW涂層與試件基體結(jié)合良好，涂層表面未出現(xiàn)明顯空蝕坑與疲勞磨損造成的凹坑，犁溝狀磨痕破壞程度較基體得到改善，涂層具有較好的抗磨蝕效果。

(4)CoCrW涂層對(duì)4種試件抗磨蝕作用最為明顯，通過(guò)噴涂CoCrW涂層可以將試件磨蝕失質(zhì)量降低至一半及以下，極大的延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。