AC-HVAF喷涂Ni60_WC复合涂层微观组织及冲刷磨损性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 0 6 年增刊 1 9 A C H V A F 喷涂N i 6 0 ／W C 复合涂层微观组织 及冲刷磨损性能研究 马光，樊自拴，孙冬柏，王国刚，刘胜林，孟惠民，俞宏英 北京科技大学腐蚀与防护中心，北京1 0 0 0 8 3 摘要利用先进的A G H A V F 喷涂技术在0 C r l 3 N i 5 M o 不锈钢上制备了N i 6 0 ／W C 复合涂层。研究了其 微观组织及耐磨性能。试验结果表明涂层主要由F e N i 固溶体以及C r o ．1 9F e o ．7N i o ．1 l 、W C 、M 6 C N i 2 W 4 C 或F e 3 W 3 C 、O r 2 6 C 3 、C r B 2 等相组成，未发现W 2 C 以及W 相；涂层与基体结合很好，涂层的孔隙 率约2 ．5 ％；W C 、M 6 C N i 2 W 4 C 或F e 3 W 3 C 、C r 2 6 c 3 、C r B 2 硬质相弥散分布于涂层中，部分区域硬质相达 到了2 0 0 ～8 0 0r i m ；涂层具有优异的耐冲蚀磨损性能，其耐磨性较基体有很大的提高。涂层应用于水轮 机叶片的修复，三个月汛期使用后涂层良好。 关键词A C - H V A F ；N i 6 0 ／W C 复合涂层；微观结构；硬度；耐磨性 中图分类号T G l 7 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 s o 一0 0 1 9 一0 4 T h eI n v e s t i g a t eo fM i c r o s t r u c t u r e sa n dE r o s i o nW e a rP r o p e r t i e so f A C - H V A FS p r a y e dN i 6 0 ／W CC o m p o s i t eC o a t i n g M AG u a n g ，F A NZ i s h u a n ，S U ND o n g b a i ，W A N GG u o g a n g ， L I US h e n g l i n ，M E N GH u i m i n ，Y UH o n g y i n g C o r r o s i o na n dP r o t e c t i o nC e n t r e ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t N i 6 0 ／W Cc o m p o s i t ec o a t i n gi sp r e p a r e du s i n ga d v a n c e dA C H V A Fs p r a yo n0 C r l 3 N i 5 M os t a i n l e s s s t e e l ．T h em i c r o s t r u c t u r e s ，s l i d i n gw e a ra n de r o s i o nw e a rr e s i s t a n c ea r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c o a t i n gc o n s i s t so fF e N is o l i ds o l u t i o na n dC r 0 ．1 9 F e o ．7 N i o ．1 1 ，W C ，M 6 C N i 2 W 4 Co rF e 3 W 3 C ，C r 2 6 c 3 ，C r B 2e t c ． p h a s e s ，W 2 Ca n dWp h a s e sa r e n o td i s c o v e r e d ；t h ec o a t i n gi sw e l lc o m b i n e dw i t ht h e0 C r l 3 N i 5 M os t a i n l e s s s t e e l ，t h ep o r o s i t yr a t ei sa b o u t2 ．5 ％；W C ，M 6 C N i 2 W 4 Co rF e 3 W 3 C ，C r 2 6 c 3 ，C r B 2p h a s e sd i s t r i b u t eo nt h e c o a t i n gd i s p e r s e d l y ，s o m ep h a s e sc a nr e a c h2 0 0n mt o8 0 0n m ；t h ec o a t i n gh a sg o o de r o s i o nw e a rr e s i s t a n c e ． A p p l y i n gt h i sc o a t i n gt or e p a i rav a n eo fg a st u r b i n ee n g i n e ，t h ec o a t i n gi sg o o da f t e ru s e df o rt h r e em o n t h so f f l o o ds e a s o n ． K e y w o r d s A C H V A F ；N i 6 0 ／W Cc o m p o s i t ec o a t i n g ；I Ⅵi c r o s t r u c t u r e ；H a r d n e s s ；E r o s i o nw e a rr e s i s t a n c e 在提高零部件耐磨性的众多方法中，热喷涂作 为一种非常经济有效的方法在近几年得到了很大的 发展，先进的喷涂技术不断涌现出来。活性燃烧高 速燃气 A C ．H V A F 喷涂工艺，是近几年发展起来的 超音速火焰喷涂的一种新技术。其特点是通过压缩 基金项目北京市重大科技项目子项目资助 H 0 2 0 4 2 0 0 5 0 0 2 1 作者简介马光 1 9 7 9 一 ，男，在读博士 空气与燃料燃烧产生高速气流加热粉末，但并未使 之完全熔化，同时将粉末加速至7 0 0I n ／s 以上，撞击 基体，形成极低氧化物含量和极高致密度的涂层。 这种喷涂工艺过程对喷涂材料的热退化影响非常 低，制备的涂层表现出卓越的耐磨损及耐腐蚀特性； 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 此技术另一个突出的特点是生产效率高，其喷涂速 率是传统超音速火焰喷涂的5 ～1 0 倍，沉积效率也 优于传统超音速火焰喷涂。所有这些特点使 A C H V A F 在很大程度上降低了涂层的加工成本，更 有利于超音速喷涂技术的推广应用【l ‘2J 。 N i 基涂层因其良好的耐磨、耐蚀性在修复和强 化水轮机叶片上受到人们的广泛关注，本文利用先 进的热喷涂工艺一A C H V A F 在水轮机材料 0 C r l 3 N i 5 M o 基体上喷涂N i 6 0 ／W C 涂层，研究了涂 层的微观组织以及耐磨性性，并在水轮机叶片上进 行了真机试验。 1试验 1 ．1 喷涂材料和涂层制备 本实验采用的喷涂材料为N i 6 0 3 5 ％w c 以 下简称N i 6 0 ／W C ，粉末粒度一0 ．0 5 3m m ，化学成 分 ％ W C3 5 、C0 ．5 、S i2 ．5 、B2 ．5 、C r1 1 、F e8 、N i 余量。采用A C H V A F 喷涂技术在基材为 0 C r l 3 N i 5 M o 不锈钢上制备N i 6 0 ／W C 涂层，涂层厚 度约为2 5 0 “ m 。A C - H V A F 喷涂工艺参数空气压 力0 ．5 9 5M P a 、一级燃烧0 ．5 1 1M P a 、二级燃烧 0 ．2 6 6M P a 、喷涂距离1 5 0m m 、送粉速度6 5g ／m i n 。 1 ．2 涂层的微观组织分析 采用日本理学公司的D ／ M a x ．R B 型X 射线衍 射仪 X R D 分析了涂层的相组成 工作电压4 0k V ， 工作电流1 5 0m A ，入 0 ．1 5 4 2n m 。采用H I T A C H I S 一3 5 0 0 N 型扫描电镜配以专门的软件测定并计算 涂层的孔隙率，不同区域测量5 次，取平均值。采用 英国L E 0 1 4 5 0 型扫描电镜对涂层的组织形貌进行 观察，并结合能谱、X R D 分析确定涂层的相分布。 1 ．3 涂层硬度及磨损性能测试 涂层经抛光后，采用上海材料试验机厂生产的 H V S 一1 0 0 0 型显微硬度计测量涂层截面的显微硬 度，载荷9 ．8N ，加载时间2 0S ，测量7 次，取平均 值。采用哈尔滨大电机研究所的旋转圆盘冲蚀模拟 试验机进行泥沙冲蚀磨损实验，在水中加入黄河沙； 含沙水流与试样平面成O 。 角，每6h 停机观察称 重一次，累积时间为3 6h 。泥沙冲蚀磨损试验参数 转速29 4 0r ／m i n 、线速度4 6m ／s 、腔内压力0 ．2 M P a 、砂子装载量1 5k g ／m 3 、砂子粒度d 5 0 7 ．3 7 4 t t m 、水温2 5 ～4 5 ℃、时间6 6h 。 2 试验结果及分析 2 ．1 X R D 分析 图1 为A C H V A F 喷涂N i 6 0 佃C 涂层表面的 X R D 图，从中可以看出，自熔合金粉末N i 6 0 ／W C 经 A C H V A F 喷涂后，涂层主要由F e N i 固溶体以及 C r 0 ．1 9F e o ．7N i o ．1 1 、W C 、M 6 C N i 2 W 4 C 或F e 3 W 3 C 、 C r 2 6c 3 、C r B 2 等相组成。涂层中未发现其他 H V O F [ 3J 或等离子等喷涂1 4J 所出现W ，C 相以及w 相，因W C 在高温氧性气氛中易发生分解产生 w 2 C ，而A C H A V F 技术火焰温度低，用空气和氧气 的混合气助燃，因而极大避免了W 2 C 脆性相的形 成，这对涂层的韧性以及耐磨性是很有好处的∞J ， Q i a o [ 6 J 等人报道W C 涂层磨损率随着W C 分解产物 的增加而增加，尤其是w 2 C 相。从X R D 结果看，此 技术可以有效的抑制W C 的分解，进而提高涂层的 耐磨性。M 6 C 相 N i 2 w 4 C ，F e 3 w 3 C 是W C 在喷涂 过程中与N i ，F e 所形成的硬质相。除了W C 、M 。C 硬质相外，B 、S i 等元素也对涂层起着固溶强化作 用，在N i 基合金粉末中，S i 元素部分溶于F e N i 固 溶体，起固溶强化作用[ 7 I ，B 元素一部分固溶于固溶 体中，其余与C r 元素形成C r B 2 相，这些C r B 2 相与 C r 2 ，C 6 弥散分布于固溶体中，起到弥散强化作用。 TN i F e 固溶体 02 04 06 08 0 1 0 01 2 1 2 0 ／ 。 图1A C - H V A FN i 6 0 仰c 涂层的X R D 图谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r n so fN i 6 0 ／W Cc o a t i n g s 2 ．2 显微组织分析 图2 为N i 6 0 佃C 涂层截面的S E M 图，由图2 a 可以看出，自熔合金N i 6 0 ／W C 涂层与 0 C r l 3 N i 5 M o 基体结合良好。涂层呈层状分布，孔 隙率较低，个别地方存在相对较大的孔隙缺陷 图2 a h o l e 处 ，原因主要是喷涂粒子的相互搭接堆积 与熔融粒子的体积收缩，以及喷涂时溶解于熔融粒 子中的气体在涂层冷却至室温后的析出等原因所造 成的旧J 。由图2 b 可以看出，带状组织分布着很多 白色的块状组织，白块的大小不等，主要为弥散分布 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊2 1 的细小的白色亮点 图2 b 左上方B 区域 ，但部分 白色块体较大 图2 b C 。E D A X 能谱分析A 、B 、 C 、D 点，基体A 点黑色区域主要为N i 、F e 、S i 元素， 根据X R D 分析黑色A 区域为F e N i 固溶体，S i 固溶 于F e N i 固溶体中。浅灰色B 区域则为N i 、F e 、C r ， w 元素，根据X R D 分析应为C r o ．1 9 F e o ．7 N i o ．1 1 ，W 元 素的出现是受周围W C 或M 。C 相的影响。白色大 块以及小亮点C 区域为富w 区，根据X R D 可以判 断为W C 以及M 6 C N i 2 w 4 C ，F e 3 w 3 C 相，经测量， 细小的硬质相尺寸达到了2 0 0 ～8 0 0n m ，但是也存 在一些较大的硬质相，相的尺寸为1 ～3p t m ，细小的 硬质相区域对涂层的硬度以及耐磨性的提高是十分 有益的。弥散分布的黑色小点D 区域为富C r 相， 根据X R D 分析为C r 的化合物C r 2 6 G ，C r B 2 等，这 些硬质相同样对涂层起强化作用。经专业软件测量 计算涂层的孑L 隙率，平均值为2 ．5 ％。 图2N i 6 0 ／W C 涂层截面S E M F i g ．2S E Mo ft h ec r o s so ft h eN i 6 0 ／W Cc o a t i n g 2 ．3 涂层的显微硬度及耐磨性分析 2 ．3 ．1 涂层显微硬度 在涂层截面的不同区域选进行了7 次硬度测 量，测量值分别为5 6 9 、7 1 6 、5 7 4 、5 7 0 、9 4 4 、10 2 8 、6 0 2 H V ，平均6 8 5H V ，从测量的硬度数据可以看出涂层 硬度的均匀性不是很好，有些值较大，可能是此区域 硬质颗粒较多所造成的。 2 ．3 ．2 冲蚀磨损性能分析 图3 为N i 6 0 ／W C 涂层冲蚀磨损体积及磨损形 貌，从图3 a 可以看出，涂层的冲蚀磨损失重为 1 0 9 ．2m g ，远小于基体0 C r l 3 N i 5 M o 不锈钢的失重， 仅为基体失重的1 ／5 。而且涂层的冲蚀磨损失重曲 线很平缓，失重随试验时间的增加变化很缓慢，而基 体的磨损失重随着时间的增加变化很大，磨损随时 间的增加越来越剧烈。 泥沙颗粒对涂层表面的作用主要为冲击和切 削，涂层在颗粒反复的冲击作用下产生疲劳应力，在 疲劳应力作用下产生微小的裂纹，随着时间的增加， 裂纹萌生、扩展并连接，最终导致涂层呈小片状脱离 见图3 b 。因为涂层呈层状分布，因此涂层各层 之间的结合力对涂层的抗冲蚀磨损性能影响很大， 一方面，从X R D 结果可以看出，涂层中未发现W C 分解的W 2 C 以及w 相，这有助于涂层韧性的提高， 进而提高涂层的抗冲蚀能力。另外，涂层中弥散分 布着W C ，M 6 C ，C r 2 6 C 3 ，c m 2 等细小的硬质颗粒，这 些硬质颗粒对涂层起强化作用，提高涂层的韧性，可 以阻止裂纹的扩展，另一方面由于存在大量的细晶 粒边界，起到缓冲疲劳应力的作用，阻碍裂纹扩展， 从而提高韧性及塑性。同时当涂层中的硬质颗粒较 大时，过大的W C 颗粒在磨损时易在磨粒不断撞击 下断裂剥落，这些剥落的大的W C 颗粒会加剧涂层 的磨损。所以，涂层中的W C 颗粒的大小要适中， 才能起到很好耐磨损作用[ 9 | 。另外，涂层的孔隙易 成为涂层磨损过程中的裂纹源，较大的孔隙率使得 裂纹的萌生和扩散变的更容易，低的孔隙率有利于 提高涂层的耐磨性。 总体来说，涂层耐磨性受涂层的韧性、硬质颗粒 及大小和孔隙率等因素的影响。利用A C - H V A F 技 术制备的N i 6 0 ／W C 涂层具有优良的微观结构、有 效的抑制了W C 分解、各种细小的硬质颗粒提高了 涂层的韧性以及孔隙率较低等优点，因而涂层具有 优良的耐磨性。应用此涂层成功的修复了磨损严重 水轮机叶片，并在河北易县水电站进行了真机试验， 经过三个月汛期使用涂层良好。 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 3结论 0 ．6 】．5 I 4 3 02 ．1 O ．0 - 5o51 01 52 02 53 U 3 5 4 { t i m e ／h a 涂层及基体的冲蚀磨损失重 b 涂层的磨损形貌 4 0 0 图3N i 6 0 ／W C 涂层冲蚀磨损失重及形貌 F i g ．3 E r o s i o nw e a rm a s sl o s sa n dm o r p h o l o g i e so ft h eN i 6 0 棚Cc o a t i n g a E r o s i o nw e a rm a s sl o s so fc o a t i n ga n db a s e dm a t e r i a l b E r o s i o nw e a rm o r p h o l o g i e so ft h ec o a t i n g 4 0 0X 1 利用A C - H V A F 技术成功制备了N i 6 0 ／W C 涂层，涂层主要由F e N i 固溶体以及W C 、M 6 C N i 2 w 4 C 或F e 3 W 3 C 、C r 2 6 C 3 、C r B 2 等相组成，未发 现W 2 C 以及W 相； 2 涂层与基体结合很好，涂层的孔隙率较低， 约为2 ．5 ％，白色块状硬质相弥散分布于涂层中，大 部分颗粒细小，部分区域的硬质相达到了2 0 0 ～8 0 0 n m ； 3 涂层硬度分布不均匀，最高的达到了10 2 8 H V ，硬质相较多区域的硬度较高，平均硬度6 8 5 H V 4 涂层的耐冲蚀磨损性能优良，较 0 C r l 3 N i 5 M o 基体有很大的提高，优异的微观结构、 细小的硬质颗粒以及较低的孔隙率等因素对涂层耐 磨性的显著提高起着关键作用。涂层应用于水轮机 叶片的修复，3 个月汛期使用后涂层良好。 参考文献 [ 1 ] 樊自拴，孙冬柏，俞宏英，等．超音速火焰喷涂技术研究 进展[ J ] ．材料保护，2 0 0 4 ，3 7 9 3 3 3 5 ． [ 2 ] J i nHW ，K i mMC ，P a r kCG ．F r i c t i o n i n d u c e ds o l i d s t a t e a m o r p h i z a t i o nf r o mn o n e q u i l i b r i u ms o l i ds o l u t i o n p h a s ei nF e - C r - B ．N i M os p r a yc o a t i n g s [ A ] ／／．E l e c t r o n M i c r o s c o p y I t sR o l ei nM a t e f i a hS c i e n c e [ C ] ．M i k e M e s h i iS y m p o s i u m ．P r o c e e d i n g so fS y m p o s i a ．2 0 0 3 2 7 9 2 8 6 ． [ 3 ] S u d a p r a s e r tT ，S h i p w a yPH ，M c C a r t n e yDG ．S l i d i n g w e a rb e h a v i o u ro fH V O Fs p r a y e dW C - C oc o a t i n g sd e p o s i t ． e dw i t h b o t hg a s f u e l l e da n dl i q u i d - f u e l l e ds y s t e m s [ J ] ． W e a r ，2 0 0 3 ，2 5 5 9 4 3 ～9 4 9 ． [ 4 ] L iH ，K h o rKA ，Y uL G ，e ta 1 ．M i c r o a t r u c t u r em o d i f i e a ． t i o r t sa n dp h a s et r a n s f o r m a t i o ni np l a s m a - s p r a y e dW C - C o c o a t i n g sf o l l o w i n gp o s t s p r a ys p a r kp l a s m as i n t e r i n g [ J ] ． S u r f a c e ＆C o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ，1 9 4 9 6 1 0 2 ． [ 5 ] S t o i c aV ，A h m e dR ，I t s u k a i c h iT ，e ta 1 ．S l i d i n gw e a re v a l u a t i o no fh o ti s o s t a t i c a l l yp r e s s e d H I P e d t h e r m a ls p r a y c e r m e tc o a t i n g s [ J ] ．W e a r ，2 0 0 4 ，2 5 7 1 1 0 3 一1 1 2 4 ． [ 6 ] Q i a oYF ，F i s c h e rTE ，D e n tA ．T h ee f f e c t so ff u e lc h e m ． i s t r ya n df e e d s t o c kp o w d e rs t r u c t u r eo nt h em e c h a n i c a la n d t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fH V O Ft h e r m a l s p r a y e dW C o c o a t i n g sw i t hv e r yf i n es t r u c t u r e s [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g s T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，1 7 2 2 4 4 1 ． [ 7 ] 任颂赞，张静江，陈质如．钢铁金相图谱[ M ] ．上海上 海科学技术文献出版社，2 0 0 3 ． [ 8 ] 潘继岗，樊自拴，孙冬柏，等．等离子喷涂钼基非晶纳米 晶复合涂层的组织和电化学特性[ J ] ．北京科技大学学 报，2 0 0 5 ，2 7 4 4 5 3 4 5 7 ． [ 9 ] 鲍君峰，于月光，刘海飞．H V O F 喷涂W C ／C o 涂层冲蚀 磨损机理研究[ j ] ．矿冶，2 0 0 6 ，1 5 1 2 4 2 8 ． 万方数据