閥座表面鎳基自熔性合金涂層硬度及耐蝕性能研究

何 濤，戴萬祥，馬玉山，常占東，劉海波，劉少波，閆嘉鈺，洪 毅，郭 宏

（1.吳忠儀表有限責任公司，寧夏 吳忠 751100；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

球閥是流程工業中應用極為廣泛的流體控制裝置之一，適合壓差大，高溫管道流體的調節。在水下球閥的設計中，裝置受高溫高壓以及腐蝕影響極大[1，2]，因此，在閥體的材料選擇上，球芯材質通常選用2205 不銹鋼[3]，而閥座通常為718 合金[4]。在工作時，球芯與閥座做相對運動，因此對材料的硬度要求較高，2205 不銹鋼和718 合金的硬度相對較低，為進一步提高材料的表面硬度，通常用表面處理工藝進行硬度提升。

火焰噴涂和真空熔覆處理是金屬材料表面處理中提升基材性能的一種非常重要的方式，其中，火焰噴涂孔隙率較高，與基材結合方式為機械結合，無法滿足設計要求，為消除火焰噴涂缺陷，生產中常在火焰噴涂工序后對涂層進行熔覆處理，以降低涂層的孔隙率，并使涂層與基體的結合方式轉變為冶金結合，進一步提升涂層質量。真空熔覆能消除涂層氧化所帶來的缺陷，因為備受閥門制造企業重視，真空熔覆后，基材與涂層呈冶金結合，在結合線附近，會形成一條寬度大約為100μm 左右的白亮帶，極大的提升涂層與基材的結合強度[5]。深海球閥閥芯及閥座處的腐蝕主要是管道介質內的HS 所引起的，其存在會降低球閥的使用壽命。

本文以718 高溫合金和2205 不銹鋼為基材，分別對基材進行氧乙炔火焰噴涂以及真空熔覆處理，在基材表面制備涂層，并研究真空熔覆后試樣的硬度及耐蝕性能，并分析制備涂層后對基材性能的影響。

1 試樣制備

制備尺寸在φ50*50mm 的2205 不銹鋼基材10 塊，尺寸為10*10*20mm 的2205 不銹鋼和718 合金的正方形基材各兩塊，分別對進行噴砂和火焰噴涂上粉，按照球芯生產工藝進行涂層制備。其中，Ni60A 為蘭州理工大學合金粉廠生產，基材與涂層成分見表1，真空熔覆時，溫度及保溫時間設置參數見圖1。試樣制備結束后，通過機械加工方式，進行試樣切割，并將涂層面用砂紙打磨拋光，留待測試用。

圖1 真空熔覆工藝溫度及時間設定

選用用金相顯微鏡測量10 塊2205 不銹鋼涂層試樣的實際厚度。選用401VS 維氏硬度計測試涂層微觀硬度，洛氏硬度計測量涂層微觀硬度，并計算平均值。

表1 基材及涂層元素成分表（質量分數，%）

通過將硫化鈉固體和稀硫酸反應生成的硫化氫氣體通入蒸餾水中制備飽和硫化氫溶液。使用型號為RST-5200 型電化學工作站檢測試樣在飽和硫化氫溶液中的Tafel 極化曲線，設定參數如表2 中所示。使用四氧化三鐵溶液腐蝕試樣，在晶相顯微鏡下觀察腐蝕形貌，參考電化學檢測結果，分析基材及涂層的腐蝕機理。

表2 電化學工作站相關參數

選用日本理學株式會社制造的Smart Lab 型高精度智能轉靶X 射線衍射儀分析涂層物相。檢測時設置掃描速度為8°/min，掃描范圍為5°～85°，步進角度為0.02。使用401SVA 顯微硬度計測量涂層的維氏硬度，施加載荷200g，加載時長15s。

2 數據分析

2.1 涂層成分分析

圖2 XRD 圖譜分析

根據圖2 中Ni60A 涂層的XRD 結果顯示，Ni60A 涂層中檢測到有FeNi3、γ 相、Cr3C2、Cr23C6，CrB 等相的存在，根據張帥等[6]人的使用材料學計算軟件所得的結果可知，Ni60A 涂層中可根據主要成分的不同將成分分為由FeNi3、γ 相組成的基體相，以及由Cr 的碳化物、硼化物組成的硬質相以及其他含量較小的雜相。其中，基體相約占總成分的65%以上，而硬質相約占30%以上。因真空熔覆保溫時間長，涂層中各相能夠充分析，因此，析出相的晶粒普遍偏大。

2.2 硬度分析

涂層厚度與涂層硬度關系。

球閥球芯涂層在進行質量檢測時，通常以洛氏硬度作為衡量涂層是否合格為標準，但涂層硬度在研究時通常以維氏硬度作為衡量，通常，涂層厚度是涂層宏觀硬度與微觀硬度的聯系。本小節主要對涂層微觀硬度與宏觀硬度之間的厚度對應關系進行分析。

經過測試，發現各試樣的微觀硬度分別如表3 所示，試樣的宏觀硬度如表4 所示，經過對數據進行分析，結果如圖3 和圖4所示。

表3 不同厚度涂層微觀硬度檢測結果

表4 不同厚度試樣微觀及宏觀硬度檢測值

圖3 洛氏硬度檢測結果分析

圖4 維氏硬度檢測結果分析

圖5 1#試樣維氏硬度檢測結果分布

從圖3 中洛氏硬度的測試結果中可以看出，Ni60A 涂層的宏觀硬度與涂層厚度有很大關系，在涂層厚度小于700μm 時，涂層厚度越小，涂層的洛氏硬度值越低，但當涂層厚度高于700μm時，涂層洛氏硬度檢測值趨于穩定，不再隨涂層厚度變化。洛氏硬度壓頭較大，施加載荷大，在進行測試時，壓頭對涂層之間的壓強極大，若涂層較薄，壓頭會破壞涂層，直接與基材接觸，因此，造成測試結果隨涂層厚度變化。在球芯涂層的實際生產中，球芯在經過噴涂及熔覆工藝后，會產生變形以及涂層的滑移，磨削后會出現涂層硬度不均問題。本部分研究也可通過硬度實測結果對該現象出現的問題進行解釋。

從圖4 中維氏硬度檢測結果可知，Ni60A 涂層微觀硬度從基材熔合線處至涂層端迅速上升，試塊中涂層最薄為286μm，此時涂層硬度平均值高于750HV0.2，而涂層厚度增加，涂層硬度值趨于穩定，保持在750HV0.2左右。涂層厚度對涂層硬度影響不明顯。Ni60A 涂層維氏硬度測量值分布范圍變化較大，圖4 所示為1#試樣的硬度測試值分布圖。不同位置的硬度值分布在500 至1100HV0.2區間內，范圍較大，這是因為Ni60A 涂層中主要析出相較大，且硬度值也相差較大所導致的，這也是Ni60A 涂層微觀硬度上下波動極大的主要原因。

圖6 所示為涂層不同位置所測的硬度值，使用維氏硬度計進行硬度測量時，當壓頭接觸位置為析出硬質相位置時，測量值通常及大，圖6（c）中所示位置為硬度計測量點位于硬質相時的情況，其測量點位置硬度為1086HV0.2，而同樣圖6（b）中位置為硬質相與基體相之間相鄰的位置，此時硬度值偏低，為769HV0.2，當壓頭測試位置為基體相以及存在孔隙位置時，測量值最低。如圖6（a）所示，壓頭位置不同，涂層的硬度也不同。橫線附近為涂層與基材熔覆時形成的白亮帶位置，其寬度約為100μm 左右，在該區域因存在元素擴散，因此硬度值低于涂層硬度，圖6（a）點1 處所示，其硬度僅為310HV0.2。

表5 三種材料宏觀硬度

2205 不銹鋼和718 合金的硬度均低于Ni60A，且718 合金的硬度高于2205 不銹鋼，材料的硬度能很大程度上影響材料的耐磨性能，因此，僅從硬度來講，Ni60A 涂層的制備對提高718 合金和2205 不銹鋼是非常必要的。

圖6 Ni60A 涂層不同位置硬度測試結果

2.3 耐蝕性能分析

2.3.1 Ni60A、2205、718 合金電化學檢測結果

718 為鎳基高溫合金，具有優異的耐蝕性能，圖7 所示為基材及涂層的Tafel 極化曲線，從表6 中試樣的Tafel 極化曲線特征值中可以看出，718 合金在飽和硫化氫溶液中的腐蝕速率與22005 不銹鋼相當，分別為2.41mg/m2h 和2.02mg/m2h，而Ni60A涂層的腐蝕速率最高，為7.02mg/m2h。并且，718 合金與Ni60A合金的腐蝕電位分別為-0.141V 和-0.1744V，而2205 不銹鋼在飽和硫化氫溶液中的腐蝕電位為-0.2766V，這主要是有Ni60A 和718 合金中添加了大量的Ni 和Cr 元素，提高了其腐蝕電位較高，因而在腐蝕環境中更難發生腐蝕，相較而言，718 合金耐蝕性能最優。

表6 三種材料Tafel 極化曲線特征值

2.3.2 基材及涂層腐蝕原理分析

使用腐蝕試劑對基材及涂層截面進行腐蝕，腐蝕后形貌如圖8 中所示。參考三中材料的電化學測試結果，可知718 合金與2205 不銹鋼在腐蝕介質中的主要發生均勻腐蝕，而Ni60A 涂層中存在明顯的電化學腐蝕或選擇性腐蝕。圖7 中，基材腐蝕后的形貌較為完整，整體受到腐蝕，而涂層中的基體相（γ 相、FeNi3相）被腐蝕，露出合金中的析出相（Cr3C2、Cr23C7、CrB 等），這是因為析出相含有較多含量的Cr、C 元素化合物，因而具有優異的耐蝕性能[7]。因兩種相所含元素成分不同，其自腐蝕電位也不一樣，在腐蝕介質中，電位的差異導致涂層間產生原電池，腐蝕電位低的基體相部分被加速腐蝕，而析出相電位較正，不易被腐蝕，因而保留較完整[8，9]。

圖8（b）中可以看到，718 合金制備的Ni60A 涂層在結合線附近以及基材處具有不同的腐蝕形貌。在718 基材處，因合金中含有較多的Ni、Cr 元素，因此基材具有優異的耐蝕性能，腐蝕介質對基材的腐蝕很小總體為均勻腐蝕，但在冶金結合線附近，受元素擴散作用，基材中的部分元素發生了從基材相涂層的擴散，因而該部分的腐蝕形貌呈塊狀，且越靠近涂層端，合金腐蝕越嚴重，為明顯的點蝕。圖8（c）中2205 不銹鋼基材也發生均勻腐蝕，其腐蝕情況與718 基材類似。

圖7 基材與涂層Tafel 極化曲線

圖8 基材及涂層處腐蝕后形貌

3 結論

（1）涂層微觀硬度不受涂層厚度影響，但宏觀硬度與涂層厚度相關。Ni60A 涂層中的相主要為基體相和析出的硬質相兩種，晶粒較大且硬度相差較大，在微觀硬度檢測時維氏硬度值在450HV0.2～1100HV0.2區間內分布，但宏觀硬度較穩定。當涂層厚度大于700μm 時，涂層宏觀硬度大于55HRC，熔覆層出白亮帶硬度偏低。

（2）Ni60A 涂層、718 合金、2205 不銹鋼在飽和硫化氫溶液中的腐蝕速率均較低，其中718 合金腐蝕速率與2205 不銹鋼相當，Ni60A 腐蝕速率最快，但Ni60A 涂層的腐蝕電位高于2205 不銹鋼，在腐蝕環境中更不易發生電化學腐蝕，可以對涂層起到很好的保護作用。

（3）2205 不銹鋼基材適合制備Ni60A 涂層工藝來提升基材性能，但718 合金制備涂層后，雖然能一定程度上提高涂層的硬度，但會降低涂層的耐蝕性能。