伏利，陳小明，馬紅海，劉偉，孟金博

(1. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，杭州 310012；2. 水利部杭州機械設計研究所，杭州 310012；3. 浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，杭州 310012)

沖蝕普遍存在于水泵、水輪機等流體機械中。全國建有大型泵站共450處，裝機24 484臺，全國經(jīng)濟可開發(fā)并且技術可開發(fā)的電站數(shù)有11 000多座，其中30%左右泵站和電站的沖蝕問題十分突出。在泥沙的沖擊下，這些水泵和水輪機使用壽命往往難以超過 1年，每年因舊品淘汰和新品制造帶來350多億人民幣的經(jīng)濟損失，同時帶來環(huán)境污染和大量的資源、能源浪費[1?5]。由于沖蝕均發(fā)生在流體機械表面，所以采用熱噴涂技術在基體材料表面制備抗沖蝕涂層，是強化材料表面結構提高抗沖蝕性能的有效途徑之一。目前常用的方法有超音速火焰噴涂和超音速等離子噴涂的方法制備WC/Co涂層。WC/Co涂層中的WC 顆粒作為硬質(zhì)相具有高硬度，而 Co作為粘結相把彌散的WC硬質(zhì)相顆粒粘結在一起，可提高涂層強度和韌性，使涂層的耐沖蝕性能更優(yōu)。但由于超音速火焰噴涂需要消耗大量的氧氣，而氧氣成本在逐年增加；超音速等離子噴涂需要消耗大量高純度的氬氣、氮氣、氫氣，成本較高[6?8]。爆炸噴涂是一種獨具特色的熱噴涂技術，是以氧氣、氮氣、丙烷、乙炔為燃料，原料用量較少，成本相對較低，具有很好的應用前景和經(jīng)濟效益[9?10]。爆炸燃燒后的氣體溫度約3 300 ℃，爆炸形成的焰流的速度高達2 500 m/s，該方法制備的涂層具有致密、孔隙率低、顯微硬度高、結合強度高等特點，是熱噴涂領域公認的高新技術。如何在流體機械上利用爆炸噴涂制備出具有抗泥沙沖蝕功能的 WC/Co涂層對提高流體機械抗沖蝕能力具有重要意義。本文采用新型的CCDS-2000型爆炸噴涂系統(tǒng)制備WC-12Co抗沖蝕涂層，并研究其抗沖蝕性能。

1 實驗

圖1 WC-12Co粉末SEM形貌Fig.1 SEM images of WC12Co powder

1.1 材料

基體材料為水輪機專用0Cr13Ni5Mo不銹鋼；粉末采用普萊克斯WC+12Co混合粉，粉末質(zhì)量分數(shù)為88%WC，12%Co，粉末粒徑為5~45 μm，粉末為燒結破碎粉，粉末顆粒形貌如圖1所示，WC顆粒包裹在粘結相Co中。

1.2 試樣制備及噴涂工藝

噴涂前基體先用酒精清洗試樣，去除表面油污，再用20~30目白剛玉對工件進行噴砂粗化處理，噴砂角度為60°~80°，壓力為0.4 MPa，距離為80 mm，噴砂后要求表面粗糙度Ra：8~12 μm，噴砂后用壓縮空氣吹凈。

噴涂實驗設備采用俄羅斯進口CCDS2000爆炸噴涂系統(tǒng)，該系統(tǒng)以丙烷、乙炔為燃料，氧氣作為助燃氣，氮氣為送粉氣。工藝參數(shù)優(yōu)化得到的爆炸噴涂WC-12CO工藝參數(shù)如表1所列。

1.3 實驗方法

對切割好的試樣鑲嵌后，采用標樂 EcoMet30全自動磨拋機進行磨拋，然后在KMM-500E型光學顯微鏡下觀察涂層的孔隙率，測10個區(qū)域并求平均值。采用卡爾蔡司Supra 55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察涂層截面微觀結構。采用荷蘭PANalytical X`Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)對涂層進行物相分析。采用 HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度測試儀測涂層的顯微硬度，載荷200 gf，加載時間10 s，測10個點并求平均值。

表1 爆炸噴涂制備 WC-12Co涂層工藝參數(shù)Table 1 Spray parameters of WC/Co coating prepared by CCDS-2000

按照 HB7751—2004《爆炸噴涂涂層結合強度試樣方法》的標準制備結合強度檢測用試樣，然后在SmartTest 5T萬能試驗機上進行拉伸試驗，測涂層與基體的結合強度，拉伸速度為0.5 mm/min。

利用LTM-200料漿沖蝕試驗機，測試條件為：轉(zhuǎn)速1 200 r/min，砂漿濃度30%，試驗時間長度為4 h。通過對基體和涂層試樣在沖蝕前后的質(zhì)量測量，得出質(zhì)量損失進行比較。涂層和基體分別進行3次對比試驗，3次質(zhì)量損失的平均值作為試樣的質(zhì)量損失量。采用掃描電鏡觀察沖蝕后涂層表面微觀形貌。

2 結果與分析

2.1 涂層微觀結構

圖2所示為爆炸噴涂WC-12CO涂層的微觀組織形貌，在低倍下觀察(圖2(a))涂層均勻致密，沒有明顯的連續(xù)貫通狀孔隙，涂層無明顯層狀結構。這表明涂層是由熔化或者半熔化狀態(tài)的液滴撞擊基體后扁平化堆疊形成，當粉末顆粒熔化狀態(tài)較好，速度較快時，瞬間撞擊基體扁平化形成的片層狀組織間界面會不太明顯甚至消失。將圖 2(a)放大觀察如圖 2(b)所示，涂層存在大量的WC顆粒，這些顆粒呈多邊形、球形及散碎形態(tài)，這些WC顆粒被粘結相的Co包圍著。涂層的孔隙多形成于WC顆粒的周圍，經(jīng)檢測涂層的平均孔隙率為 0.63%，平均顯微硬度為 1 305.6 HV0.2。較低的孔隙率和較高的硬度有利于提高涂層抗沖蝕性能。

圖2 WC-12Co涂層形貌Fig.2 Microstructures of WC-12Co coating

2.2 物相組成

爆炸噴涂WC-12Co的XRD結果如圖3所示，涂層中除了WC相和Co相之外，還存在W2C相。這主要是由于在噴涂過程中少量的WC顆粒直接與氧氣接觸氧化脫碳形成W2C相。W2C相的脆性較高，對涂層的耐磨性能造成不利的影響，在噴涂過程中應盡量避免[11?13]?？刂芖C脫碳一般通過原始粉末性質(zhì)、噴涂設備和噴涂工藝三種渠道。在粉末和設備一定的情況下，主要通過控制噴涂工藝：氧燃比、氮氣含量及噴涂距離等參數(shù)，以減少WC與氧氣、空氣的接觸時間，從而減少WC被氧化脫碳的幾率。

2.3 結合強度

涂層的結合強度是衡量涂層力學性能的重要指標之一，對涂層抗沖蝕性能具有重要影響，在一定程度上決定著涂層的使用壽命。涂層拉伸曲線如圖4所示，測得涂層結合力為130 MPa。利用CCDS2000爆炸噴涂設備制備的 WC-Co涂層具有較高的結合力。這主要是因為爆炸噴涂瞬間的粒子速度在700~800 m/s，遠高于超音速噴涂和等離子噴涂的粒子速度，高的粒子速度能提高熔融、半熔融粒子的扁平化效果，使涂層的致密性更好，涂層與基體的結合強度更高。

圖3 WC-12Co涂層的XRD譜Fig.3 XRD pattern of WC-12Co coating

圖4 WC-12Co涂層結合強度曲線Fig.4 Bonding strength curve of WC-12Co coating sprayed by CCDS 2000

2.4 沖蝕試驗結果及分析

2.4.1 沖蝕試驗結果

WC-12Co涂層和0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體在經(jīng)過4 h的沖蝕試驗后，稱重測得基體的平均質(zhì)量損失為371.81 mg，涂層的平均質(zhì)量損失為78.06 mg，通過質(zhì)量損失比可得涂層的抗沖蝕能力是基體的4.76倍。爆炸噴涂制備 WC-12Co涂層具有良好的抗泥沙沖蝕性能，這主要得益于它較高的硬度和結合強度。

2.4.2 涂層沖蝕機理分析

涂層經(jīng)過4 h高速水流泥沙沖蝕試驗后，置于掃描電子顯微鏡下觀察，如圖5所示。從圖5(a)和(b)可以看出，WC-12Co涂層經(jīng)過泥沙高速沖刷后，表面形成了犁溝，并伴有微裂紋。由于涂層是由熔融或半熔融的金屬液滴高速碰撞而扁平化后形成的，最后涂層以層狀搭接結構構成，而在這些層狀搭接部位易形成孔隙等缺陷，這些缺陷往往是涂層結構性能的薄弱區(qū)域。涂層在高速水流泥沙沖蝕下，涂層的薄弱區(qū)域首先發(fā)生破壞，裂紋也主要從這些微觀缺陷處開始，隨著沖蝕時間的積累，涂層中的結構缺陷逐步擴大，最終導致涂層脫落[14?16]。

由圖5(c)和(d)可知，涂層無河流花樣、舌狀花樣等解理斷裂形貌，涂層中的疲勞裂紋的擴展方式主要為穿晶斷裂擴展，同時剝落層邊緣出現(xiàn)了部分臺階狀開裂的情況，且涂層內(nèi)部無明顯的沿晶斷裂，這主要是因為涂層成形時層狀搭接殘留部分層間裂紋，在循環(huán)接觸應力作用下逐步開裂脫落形成了臺階形貌。

利用CCDS-2000爆炸噴涂技術制備的WC-12Co涂層組織致密，孔隙率低，硬度與結合強度較高。沖蝕漿料中的沙粒首先將涂層中硬度較低的粘結相 Co沖刷掉，涂層中硬質(zhì)相WC便凸顯出來。從圖5(d)可以明顯看到裸露在外的為灰白色的 WC顆粒，這些WC硬質(zhì)顆粒在沖蝕過程中受高速泥沙的反復沖擊出現(xiàn)破碎，并與粘結相剝離最終脫落，造成了涂層的沖蝕磨損。

表2 WC-12Co涂層的沖蝕質(zhì)量損失Table 2 Abrasion mass loss of WC-12Co coating sprayed by CCDS 2000

圖5 WC-12Co涂層沖蝕后的SEM形貌Fig.5 Surface SEM morphologies of WC-12Co coating after abrasion

3 結論

1) 利用 CCDS-2000爆炸噴涂系統(tǒng)能夠獲得性能優(yōu)良的WC-12Co涂層，其硬度為1 305.6 HV0.2，與基體結合強度達到130 MPa，孔隙率為0.63%。

2) 沖蝕試驗結果表明，利用 CCDS-2000爆炸噴涂系統(tǒng)制備的WC-12Co涂層抗泥沙沖蝕性能良好(約為基體的4.76倍)。

3) 涂層內(nèi)部沖蝕裂紋的擴展方式主要為穿晶斷裂和沿晶斷裂。