超音速火焰喷涂纳米结构WC-10Co4Cr层不同流速下的耐冲蚀性能.docx

1、超音速火焰喷涂纳米结构WC-10Co4Cr层不同流速下的耐冲蚀性能陈小明"3,周夏凉E4,王莉容)赵坚3,毛鹏展3,伏利2,刘伟，孟金博'(1.水利部产品质量标准研究所，浙江杭州310012；2. 浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，浙江杭州310012；3. 水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室，浙江杭州310012；4. 水利部杭州机械设计研究所，浙江杭州310012)摘要为了改善不同水流速度下水轮机过流部件的抗冲蚀性能，采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术在不锈钢(0Crl3Ni4Mo)表面制备了纳米粉末WC-10Co4Cr喷涂层°通过X射线衍射仪(

2、XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对喷涂层的物相、组织结构进行了分析，并对其显微硬度、孔隙率、结合强度等性能进行了研究,探讨了其不同流速下的冲蚀性能。结果表明：WC-10Co4Cr喷涂层组织致密，孔隙率为0.61%,结合强度为73MPa,显微硬度为1410HVzn；在含有泥沙流水的作用下，流速越快，喷涂层和基体的失重速率也越快，慢速下的喷涂层冲蚀失效机制以沙粒微切削和犁削为主，高速下除了微切削和犁削外，还包括沙粒冲击引起的疲劳剥落。关键词超音速火焰喷涂；纳米WC-10Co4Cr粉末；不同水流速；泥沙冲蚀中图分类号TG174.442文献标识码A文章编号1001-1560(2018)09-0004

3、-04ErosionBehaviorofNano-StructuredWC-10Co4CrCoatingsSprayedbyHighVelocityOxy-FuelThermalSprayingunderDifferentFlowVelocityCHENXiao-ming'-23,ZHOUXia-liang，M,WANGLi-rongZHAOJian3,MAOPeng-zhanJFULi2,LIUWei',MENGJin-bo1(1.Standard&QualityControlResearchInstitute,MinistryofWaterResources,Han

4、gzhou310012,China;2.KeyLaboratoryofResearchonHydraulicandHydro-PowerEquipmentSurfaceEngineeringTechnologyofProvince,Hangzhou310012,China;3.WaterMachineryandRemanufacturingTechnologyEngineeringlaboratoryofZhejiangProvince,Hangzhou3100)2,China;4.HangzhouMechanicalDesignReftearchInstitute,MinistryofWat

5、erResources,Hangzhou310012,China)Abstract:Nano-stnicturedWC-10Co4Crcoatingswerepreparedonthesurfaceofstainlesssteel(0Crl3Ni4Mo)byhighvelocityoxy-fuel(HVOF)thermalspraying.PhasecompositionandmicrostruclureofcoatingwerecharacterizedbyX-raydiffractometer(XRD)andscanningelectronmicroscopy(SEM).Thekeyper

6、formances,suchasmicro-hardness,porosityandbondstrengthwereinvestigated,andtheerosionresistancewasevaluatedunderdifferentflowvelocity.Resultsindicatedthatthemicrostructureofnano-structuredWC-10Co4CrcoatingpreparedbyHOVFthermalsprayingwasdensewith0.61%porosity.Thebindingstrengthwas73MPa,andthemicrohar

7、dnesswas1410HV2N.Undertheactionofwaterwithsilt,thefasterflowvelocityledtothefasterweightlossrateofcoatingandsubstrate.Whentheflowvelocitywasslow,thecoatingerosionfailurewasmostlycausedbysandmicro-cuttingandploughcut.Whentheflowvelocitywasfast,theerosionfailuremechanismofcoating,inadditiontomicro-cut

8、tingandploughcut,alsoincludedfatiguespallingcausedbysandimpact.Keywords；highvelocityoxy-fuel(HVOF)thermalspraying;nano-structuredWC-10Co4Crcoating；flowvelocity;slurryerosion。前言轮机过流部件的抗冲蚀性能。超音速火焰喷涂技术通过结构优化设计、抗磨基材的选用、涂覆抗磨非(HVOF)具有焰流速度高、温度低等特点以-y,制备的金属有机涂层及环氧复合涂层等方法可以有效改善水WC.Co(Cr)喷涂层硬高度、孔隙率低，具有极好的耐磨收稿

9、日期J2018-03-20基金项目浙江省科技计划项目(2017C37048,2016C37091)；杭州市科技发展计划项目(20I62231E10)资助通信作者陈小明(1984-),高级工程师，硕士，主要从事抗磨、耐蚀纳米涂层材料的研究，电话E-mail：xiaoming840图1冲蚀试验机冲蚀形态图2纳米粉末WC-10(：4Cr喷涂层的XKI)谱粒磨损和耐泥沙冲蚀性能"，抗冲蚀性能超过基体的5倍6。目前，对纳米粉末WC.Co(Cr)喷涂层在冲蚀方面的研究侧爪于其微观结构与性能方面，鲜见水流速变化对其冲蚀行为的影响的研究报道c本工作采用HVOF技术喷涂纳米粉

10、末WC-10Co4Cr涂层;测试了其在含沙不同水流速下的冲蚀性能，研究了水流速度对纳米粉末WC-10Co4Cr喷涂层冲蚀行为的影响，以期为此喷涂层在抗泥沙冲蚀的应用提供参考。1试哈1.1喷涂层的制备以06Crl3Ni4Mo不锈钢为基材，尺寸为150mmx100mmx4mm用内N和乙等对基体表面进行超声波清洗，除去油污.超声功率为0.3kW0采用YGY-2A型压人式唉砂机以30目白刚玉作粗化处理，喷砂压力为0.4MPa。采用SHV-50型超音速火焰喷涂系统和纳米粉末WC-i0C(4Cr(100-300nm)制备喷涂层。以I)60S航空燥油为燃料.使气为助燃气体，级气为送粉载气。喷涂I：艺参数:流

11、址25Mi,氧气流量855I7min；喷涂距离385mm,送粉率75g/min；涂层厚度为20mmo1.2测试分析使用X'PertPRO型X射线衍射仪(XRD)对WC-IOCo4Cr喷涂层的物相进行分析°采用ZeissSupra55扫描电?显微镜(SEM)对其形貌和显微组织进行观察分析。采用HXD-1(XX)TMC/L(：D型显微硬度仪测试喷涂层和基体的显微硬度:载荷2N,加载时间10s；随机测试10次，取平均值。采用KMM-500金相分析仪测试喷涂层的孔隙率.测试3次.取平均值。按照GB/T8642-2002方法测试喷涂层的结合强度，取3次的平均值。将唬涂层切成20mmx2

12、0mmx5mm放入LTM-200冲蚀试验机中e冲蚀试验机的冲蚀形态见图1。冲蚀模拟系统中沙为8kg.水为40kg,完全模拟较高含沙ht河水冲击叶片的过程;通过调班频率(10J5.20,25Hz)研究商转速F的耐冲蚀性能,总试股时间为12h,每2h应用辩度为0.00001g的分析天平进行称童、记录。不同频率下的电机转速：n=/x60/p(1)式中n电机转速.r/minf电源频率,50HzP电机磁极对数，2极为1对、4极为2对，依次类推，该磨蚀试验机的电动机只有1对磁极，取1转盘的线速度：v=nx2irR(2)式中n电机转速.r/minR转盘的半径,mm根据测hi得知，当转盘的半径夫为100nun

13、时.不同频率下的电机转速与转盘的线速度妃表1。根据频率从小到大分为1,2,3,4号。表1不同频率下的电机转速与转盘的线速度10（1号）15（2号）20（3号）25（4号）n（电机）/（r*min1）600900120（）1500戒转盘）/（km«h-'）22.60833.91245.21656.5202结果与讨论2.1喷涂层的物相图2为纳米粉末WC-IOCo4Cr喷涂层的XRD谱由图2可以看出：WC硬质相的衍射峰最强，说明其纳米喷涂层的相组成是以WC硬质相为主，但也存在较弱的W,C相和Co,W3C相的衍射峰，说明2种结构的喷涂层在制备过程中都发生了WC脱碳分解小】，因为WC相

14、受热后脱碳生成了W2C相和W及C自由原子,这些副产物便进一步溶于粘结相中，与反应生成Co3W,C相9。2.2喷涂层的微观形貌图3为纳米粉末WC.I0Co4Cr喷涂层表面和截面的微观形貌。由图3a诃知：该纳米粉末唬涂层的粒子扁平化程度较高、堆积致密表面较为平整。由于粉末中的WC颗粒尺寸基本为纳米级，比表面积大、活性高，在HVOF喷涂过程中受热更容易熔化,粒子高速撞击基体衣面时扁平化更充分，使得粒子与粒子之间诙合紧密，仃利于形成致密的喷涂层；喷涂层表面还存在少睛球形颗粒.M形成主要是来A于一些熔融粒子喷涂在表面后凝固收缩而致。由图31可知：纳米粉末WC-10Co4Cr喷涂层截面组织结构致密.孔隙率

15、低,无明显层状结构.细小的WC颗粒均匀地分布在粘结相中，这是因为纳米粒子在撞击基体时具有高动能和热焰值.撞击基体后充分变形，形成了均匀致密的喷涂层组织。()表面(b)戴面图3纳米粉末WC.|()Co4Cr喷涂层的微观形貌2.3啧涂层的常规性能纳米粉末WC-10C(4Cr喷涂层的平均孔隙率为0.61%,组织致密；平均结合强度为73MPa,平均显微硬度为1410HV?、，具有优良的力学性能。其因是粒产在撞击过程中充分扁平化，有助于减少孔隙,增加喷涂层的致密度；由于品粒细小，品界增多.对喷涂层起到了很好的强化作用，致使M显微硬度提高。这种高结合强度和高显微硬度，有助于提高哝涂层的抗磨损性能，2.4喷

16、涂层的抗冲蚀性能图4为4组(10.15,20,25Hz)频率下的喷涂层与基体的失重状态。图4a显示：由于转盘转速较低.沉枳在底部的沙受到离心力的作用不足，难以冲击喷涂层的表面.因而其与基体的失页都在0.02g以下;6h后喷涂层的失重多于基体，可能是因为线切割过程中边缘产生的应力集中导致小范围内喷涂层的剥落及表而未完全熔融颗粒在水的冲刷下脱落。由图4b可知：在15Hz下冲蚀12h后，喷涂层与基体的失币:均在0.06g以下,失币曲线斜率分别为0.00308,0.00474,受时间的影响较小，主要是因为转速不够大，冲蚀作用较弱.短时间内无法得到显著的效果,，图4(中基体的失垂呈直线上升旦斜率较大，喷

17、涂层的失敢仅为基体的1/5,是因为它有较高的硬度，可以有效抵抗沙子的冲蚀,12h后喷涂层与基体的失重曲线斜率分别为0.00292,0.01578.表明喷涂层对基体起到了较好的抗冲蚀作用。图4d为25Hz时基体与喷涂层的失重.与图4c相比，增加了很多，表明速度的提高会带来严重的冲蚀作用，但喷涂层的失取只有基体的1/3,通过对失重:曲线的拟合可知，前6h基体与唬涂层的失页曲线斜率分别为0.02259.0.05842,6h时存在明显的拐点.6h和12h的斜率分别为0.05637.0.13062,与15Hz时相比分别提高r1.9倍和8.2倍。(c)20Hi(<1)25H>图44种频率下基体

18、与喷涂层的失成.时间曲线在频率和时间相同的情况下嗅涂层的失重：明显低于基体，说明喷涂层的耐磨性能远优于基体,对基体起到了良好的保护作用；同等时间内.频率越大.速度越快，喷涂层和基体的失重也就越大。不同频率下喷涂层冲蚀后的表面SEM形貌见图5。图5a和图5b中，大俄的WC颗粒裸露在表面，表面存在明显的犁沟，并呈现出一定的方向性(箭头指向)。在图5c和图5d中喷涂层中除了裸露的WC颗粒和典型的帮沟形貌外，还存在脱落后形成的冲蚀坑;25Hz时喷涂层脱落形成的冲蚀坑明显大于20Hz时的喷涂层。在喷涂层旋转过程中，含沙水流相对于喷涂层产生了相对运动。在慢转速卜，相对运动速度较低，沙粒对喷涂层表面首先产生

19、微切削和犁削作用，在含沙水流的作用下.粘结相首先受到高硬度粒子的微切削和犁削作用而脱落形成型沟.犁沟的方向与粒子的相对运动方向一致。粘结相被去除后，导致WC颗粒裸露在喷涂层表面，白色的颗粒即为犁削作用后裸露在外的WC颗粒。在沙粒的不断冲蚀下.粘结相被不断切削，其对表层WC颗粒的粘结作用也逐步减弱，在随后的粒子冲击下脱落.造成喷涂层失效,随若转速的提高,含沙水流相对于咬涂层表面的运动速度增大高速运动的沙粒除了对其表面形成微切削和犁削作用.导致粘结相被切削外,还有垂1*1冲击作用，形成较大的压应力。在反夏压应力的作用下，喷涂层内部产生疲劳应力，并在M薄弱IX域萌生裂纹，并加以扩展.造成了喷涂层间的

20、断裂，导致后期大块剥落而形成冲蚀坑。图5不同频率下喷涂层冲蚀后&面的SEM形貌3结论(1) 利用IIVOF技术制备的纳米粉末WC-10C(4Cr喷涂层，粉末粒子炳化充分，堆积过程中粒子变形充分，喷涂层组织致密，平均孔隙率仅为0.61%,平均结合强度为73MPa,平均显微硬度为1410HV2NO(2) 在含有泥沙流水下，流速越快.纳米粉末WC-l()C»4Cr喷涂层和基体的失亚速率也就越快;慢速下嗅涂层的失效机制是以沙粒微切削和犁削为主，并形成帮沟；高速下，冲蚀失效机制除了微切削和帮削外还包括沙粒冲击引起的疲劳剥落。参考文献1徐滨土，李长久，刘世参.等.表面丁程与热喷涂技术及其

21、发展J.中国表面T.程，1998.11(1):3-9.2吴玉萍，林萍华.王翠玲.等.超音速火焰(HVOF)喷涂Fe-Cr基涂层的组织与耐蚀性J.金协热处理，2006.31(10)：34-38.3倪继良.程.涛涛，丁坤英.等.WC粒度对WC-IOCo-4Cr涂层磨粒磨损性能的影响J.材料保护.2013,46(1)：19-21.4SAHBAOUIT,GUESSASMAS,JEKIDANEMA,elal.HV'OFsprays!WC-C<>coatings：MionZructure,mec'luini-calpr(>|MTli»*sandfrictioninoin<*ntpn*<licti<>njJ.Mal<*rialsandDesign.2010.31(3)：131-137.5张光华.李晤.刘阳.等.HV()F峻涂WOIOCo-4Cr涂层的砂浆冲浊行为J.中国表面丁.程，2007,2