爆炸噴涂制備流體機械抗沖蝕涂層的性能

劉廣慧

（大慶石化建設有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

在水泵和水輪機等機械中不可避免的存在沖蝕現(xiàn)象，我國建成的大型泵站超過450 座，裝備大型水泵與水輪機26 000余套，水電站11 000 座，超過1/3 的泵站與水電站存在沖蝕問題，不僅影響安全，也大大降低了經濟效益。受沖蝕現(xiàn)象的影響，水泵或水輪機的使用壽命還達不到1 年，因設備損壞與更新造成的直接成本達到350 億元，間接成本超過1000 億元，不僅對環(huán)境造成了一定的影響，還浪費了大量的能源。

沖蝕現(xiàn)象主要發(fā)生于流體機械的表面，在其表面噴涂特殊材料，提高機械表面的耐沖蝕性，是解決設備沖蝕問題的主要辦法之一。現(xiàn)階段較為普遍采用的噴涂方法有超音速火焰噴涂和超音速等離子噴涂，采用的涂層主要為WC/Co 涂層，這種涂層具有較高的硬度，其硬質相為WC，呈顆粒狀分布在涂層中，Co 作為硬質相的粘合劑，起到聚攏顆粒的作用，并能進一步提高涂層的韌性，使涂層的耐沖蝕性進一步增強。超音速火焰噴涂的主要原料是氧氣，氧氣也是重要的工業(yè)原料，價格逐年提高，超音速等離子噴涂的主要原料是氬氣、氮氣、氫氣，這些氣體的制備成本也在逐年增加。

爆炸噴涂是一種新興的機械表面噴涂技術，主要原料包括氧氣、氮氣、丙烷、乙炔，除氧氣外，其他氣體的制備成本較低，這種噴涂技術消耗的原料較少，具有較高的經濟效益[9-10]。在爆炸噴涂工藝中，氣體燃燒產生3300 ℃的高溫，由爆炸推動的氣流速度可達2500 m/s，能夠在機械表面形成致密的涂層，還具有孔隙率低、顯微硬度高、結合強度高等特點，在熱噴涂領域得到了廣大業(yè)內人士的認可，是一項極具推廣價值的新興技術。如何利用爆炸噴涂技術，在水泵和水輪機等流體機械表面噴涂WC/Co 涂層，對提高水利設備壽命和安全性，提升水利行業(yè)經濟效益具有重要的現(xiàn)實意義。本文采用新型的CCDS-2000 型爆炸噴涂系統(tǒng)對流體機械進行噴涂試驗，研究其抗沖蝕性能。

1 實驗

1.1 實驗用材料

本次實驗選擇的基體材料為0Cr13Ni5Mo 不銹鋼，是一種常用的水輪機制造材料。噴涂材料為WC+12Co 混合粉，其中硬質相WC 占88%，粘合劑Co 占12%，粉末顆粒直徑5～45 μm，噴涂材料的品牌為著名品牌普萊克斯，該粉末采取燒結破碎工藝，將硬質相WC 包裹在粘結相Co 中（圖1）。

圖1 WC-12Co 粉末SEM 形貌

1.2 試樣制備及噴涂工藝

噴涂前對基體材料進行表面處理，先使用酒精擦除表面油污，再使用白剛玉對工件表面進行噴砂處理，使工件表面的粗糙度達到Ra：8～12 μm，噴砂處理完成后使用壓縮空氣吹凈表面灰塵。

待試樣表面處理完成后，采用CCDS-2000 型爆炸噴涂系統(tǒng)對試樣表面進行噴涂，燃料為丙烷、乙炔，在氧氣的輔助下爆炸燃燒，利用氮氣輸送WC+12Co 混合粉，該系統(tǒng)的氣體燃燒可以產生3300 ℃的高溫，由爆炸推動的氣流速度可達2500 m/s，在試樣表面形成致密的涂層。

1.3 實驗方法

試樣經爆炸噴涂后切割成規(guī)則的形狀，使用磨拋機磨拋試樣表面，利用KMM-500E 型光學顯微鏡觀察涂層表面的孔隙率，隨機選取10 個觀察點，并計算其孔隙率的平均值，再利用電子的顯微鏡觀察涂層表面的微觀結構，采取X 射線衍射儀對涂層表面進行分析，最后利用顯微硬度計測量涂層的硬度，隨機選取10 個測點，載荷200 gf，加載時間10 s，計算其平均硬度。

接下來進行涂層的結合強度試驗，試驗設備為拉伸試驗機，拉伸速率0.5 mm/min。再接下來進行試樣的沖蝕試驗，轉速1 200 r/min，砂漿濃度30%，沖蝕時間4 h，選取3 塊試樣進行沖蝕試驗，測量其沖蝕前后的質量損失。選取3 塊基體材料進行沖蝕試驗，將測量得到的質量損失結果與爆炸噴涂試樣進行對比，利用電子顯微鏡觀察試樣和基體材料的表面。

2 結果與分析

2.1 涂層微觀結構

圖2 為爆炸噴涂后試樣的表面微觀結構，低倍觀察時可見致密的均勻表面，未發(fā)現(xiàn)貫穿孔隙，未出現(xiàn)明顯的層狀結構，這說明涂層是由熔化或半熔化狀態(tài)的物質撞擊基體形成的，當噴涂材料的熔化狀態(tài)良好時，在較高的速度下撞擊基體所形成的片層界面會變得模糊甚至消失，包被觀察時可見均勻散布的WC 顆粒，在顆粒周圍包裹著粘結劑Co，涂層的孔隙多發(fā)生于粘結劑Co 上面，其孔隙率為0.63%，平均顯微硬度為1305.6 HV0.2。實驗結果說明，涂層的孔隙率較低，硬度較高，擁有較強的抗沖蝕能力。

圖2 WC-12Co 涂層形貌

2.2 物相組成

利用X 射線衍射儀對涂層表面進行分析，分析結果如圖3所示，除WC 相和Co 相外，還存在少量的W2C 相，這是由于WC顆粒在高溫條件下與氧氣發(fā)生反應造成脫碳，形成W2C 相，W2C相是一種高脆性的物質，會降低涂層耐磨性，噴涂時應減少W2C相的產生[11-13]，可以通過優(yōu)化噴涂工藝來減少W2C 相的產生，例如提高氧氣燃燒效率、優(yōu)化氮氣含量和噴涂距離等。

圖3 WC-12Co 涂層的XRD 譜

2.3 結合強度

涂層的抗沖蝕性能很大程度上取決于涂層的結合強度，結合強度越高，涂層的使用壽命越長。本次拉伸試驗獲得的結果見圖4，爆炸噴涂所獲得的涂層結合力為130 MPa。說明爆炸噴涂所制成的涂層具有較高的結合強度，這是因為爆炸噴涂技術可以將粉末顆粒加速到700～800 m/s，這一速度遠高于超音速噴涂，并且爆炸噴涂的高溫可以提升熔融、半熔融狀態(tài)下，粉末顆粒附著于基體材料上的扁平化效果，獲得更加致密的涂層，進一步提升涂層的結合強度。

圖4 WC-12Co 涂層結合強度曲線

2.4 沖蝕試驗結果及分析

2.4.1 沖蝕試驗結果

經過對涂層試樣和基體材料4 h 的沖蝕試驗后，測得爆炸噴涂試樣的質量損失為80 mg，基體材料的質量損失為371.81 mg，噴涂后的抗沖蝕能力提升4.8 倍，由這一實驗結果可以看出，爆炸噴涂工藝在基體表面形成的WC-12Co 涂層，具有較高的抗沖蝕能力。

2.4.2 涂層沖蝕機理分析

利用電子顯微鏡進行涂層沖蝕機理分析，對經過4 h 高速水流泥沙沖蝕后的涂層進行觀察（圖5），經過4 h 的沖蝕后涂層表面出現(xiàn)犁溝，還產生了微裂紋。對其原因進行分析得知，涂層由熔融或半熔融的WC+12Co 液滴以較高的速度沖擊基體表面形成，在撞擊過程中形成了層層堆疊的層狀結構，層與層的搭接處強度較弱，易形成孔隙等缺陷。在高速的水流泥沙沖蝕下，層與層的搭接處首先被破壞，形成犁溝并伴有微裂紋，隨著沖蝕時間的加長，結構缺陷逐漸擴大，達到一定程度后就會產生脫落。

從圖5c）和圖5 d）可以看出涂層表面未出現(xiàn)解理斷裂，裂紋形式主要以穿晶斷裂為主，在剝落處形成了臺階狀結構。涂層內部未出現(xiàn)明顯的沿晶斷裂，這是因為噴涂過程中形成了層層堆疊的層狀結構，在沖蝕力的反復作用下，開裂脫落形成了臺階形貌。

圖5 WC-12Co 涂層沖蝕后的SEM 形貌

本次試驗采用爆炸噴涂技術，在0Cr13Ni5Mo 不銹鋼基體材料上所獲得的涂層具有組織致密，孔隙率低，硬度與結合強度較高的特點。在高速水流泥沙沖蝕作用下，孔隙多發(fā)生于粘結相Co 上面，使硬質相WC 突出涂層表面，受高速水流泥沙反復沖蝕后發(fā)生破碎脫落，形成沖蝕磨損。

3 結論

（1）爆炸噴涂制備流體機械抗沖蝕涂層具備較高的硬度、較高的結合強度和較低的孔隙率。

（2）爆炸噴涂制備流體機械抗沖蝕涂層，可以將基體表面抗沖蝕性能提高4.8 倍，大大提高基體的抗沖蝕性能，延長流體機械的使用壽命。

（3）爆炸噴涂制備流體機械抗沖蝕涂層，由熔融或半熔融的WC+12Co 液滴，以較高的速度沖擊基體表面形成，在撞擊過程中形成了層層堆疊的層狀結構，在高速的水流泥沙沖蝕下，層與層的搭接處首先被破壞，形成犁溝并伴有微裂紋，隨著沖蝕時間的加長，結構缺陷逐漸擴大，達到一定程度后就會產生脫落，沖蝕裂紋的擴展方式以穿晶斷裂和沿晶斷裂為主。