热喷涂与熔覆技术制备镍基涂层的空蚀性能
王国刚, 孙冬柏, 王 勇, 马 光, 樊自拴, 俞宏英, 孟惠民
材 料 热 处 理 学 报
摘 要:利用热喷涂和等离子熔覆技术分别制备了镍基涂层,采用SEM、X射线衍射、显微硬度、失重分析法对空蚀前后的涂层进行了对比研究,并在旋转圆盘空蚀实验机上进行了空蚀实验。SEM结果表明,等离子熔覆涂层与基体结合为冶金结合,内部组织致密,缺陷少;热喷涂涂层由堆积的变形粒子组成,与基体多为机械结合,涂层具有层状叠加组织结构,其中孔隙较多。Ni基熔覆涂层表现出较好的耐空蚀性能,其失重量与对比不锈钢接近。X射线衍射分析空蚀后的熔覆涂层表面物相发生了变化,空蚀前后的熔覆涂层截面硬度表明,镍基涂层的在空蚀过程中出现了加工软化。热喷涂涂层由于内部结合力较低,特别容易被空蚀微射流或冲击波过程所破坏。
关键词:空蚀; 镍基涂层; 超音速火焰喷涂; 直弧等离子冶金熔覆
空蚀(Cavitation erosion)是由于流体中局部压力的剧变,造成液体生成气泡,当气泡运行到高压区迅速溃灭而使材料表面遭受严重破坏现象。空蚀广泛存在于各种过流部件中,尤其是在水利方面,使金属表面发生破坏,产生振动和噪音,降低效率,迫使设备频繁大修,甚至短期报废[1]。近年来,我国大力发展以水电为主的清洁能源,解决好过流部件的空蚀问题,对提高国民经济效益具有重要意义。
自从Lord Rayleigh提出空蚀溃灭模型以来[2],空蚀研究已经持续了近百年。空蚀损伤机理极其复杂,并且伴随着噪声、发光、放热等现象[3]。目前,被广泛接受的空蚀机制仍然是:冲击波和微射流损伤或两者的共同作用。
目前空蚀损伤研究主要集中在两个方面,一是对过流部件进行优化设计减弱或者避免空蚀损伤的发生,另一个方面是研制高耐蚀材料和涂层,增强表面抗空蚀的能力。表面技术是近年来研究的热点,尤其是热喷涂可以根据不同需求制备出高耐蚀耐磨的涂层,广泛应用诸多部门。新近开发的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺的其特点是能够形成极低氧化物含量和极高致密度的涂层[4]。熔涂覆技术是在一些表面性能差、价格低的基材表面形成合金层,取代昂贵的整体合金,从而大幅度降低成本[5]。本文利用热喷涂和等离子熔覆技术制备了镍基合金涂层,并且对两种涂层的空蚀破坏失效形式和特点进行对比分析,在此基础上对空蚀损伤机理进行探讨。
1 实验材料和方法
选择的镍基合金粉末为自熔性Ni46合金粉末,粉体呈球形团聚状,尺度分布在40~50μm,化学成分见表1。基体材料采用304不锈钢,尺寸为100mm×40mm×10mm。
1·1 热喷涂层的制备
采用超音速新技术-活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂技术制备涂层,喷涂前需要对基材表面进行除锈、除油等清洁处理,喷涂前进行喷砂粗化处理,其工艺参数分别见表2。
1·2 等离子熔覆涂层的制备
涂层制备采用DRF-1型等离子熔覆强化数控设备[6],控制条件参数如见表3。
1·3 空蚀实验
空蚀试验在旋转圆盘空蚀模拟试验机[7]上进行，旋转圆盘试样装配见图4,圆盘外直径360 mm,在直径300 mm圆周上均匀分布6个试样,试样空蚀面直径为28 mm,嵌入到圆盘中测试面与圆盘面持平。空蚀源为直径10 mm的通孔。空蚀腔内的压力由一个功率为3kW的清水泵提供。其它实验条件和参数见表3。
选取分析试样的横截面,经线切割制样后抛光,用扫描电镜(SEM)进行了形貌观察,用维氏硬度计对涂层的显微硬度进行检测分析。
2 结果与讨论
2·1 SEM观察
两种方法制备的涂层,其截面抛光后如图2,图2(a)是AC-HVAF热喷涂层,可以看出由于试样喷砂粗化,基体比表面积大幅度增加,粗化的表面一方面增加了涂层与基体的接触粘合面积,另一方面,变形体后喷涂粒子也不能完全填充满喷砂后的凹坑,故在界面处产生较多孔隙。热喷涂层主要由变形粒子生成的板条结构体、形变较小的粒子、未形变粒子以及孔隙组成,呈现出典型的涂层交错叠加结构。从X射线衍射图(图3(a)),可以看出热喷涂涂层的物相由Ni、FeNi3、FeNi等成分组成,与原粉物相基本保持一致,说明热喷涂过程对材料物相的影响不大;图2(b)是等离子熔覆体涂层,看到涂层与基体结合较好,涂层较喷涂层致密,由于等离子的强高温熔融,涂层中出现了许多新的物相,从X射线衍射图3(b)上可以看出除了原有的FeNi3等物相外,还出现了Cr5B3、Ni31Si12、SiC、Ni3B等新物相,空蚀后涂层衍射峰的强度普遍降低,2θ衍射角在35°、37°以及45°附近峰接近于消失,说明空蚀的过程中部分物相的发生了转变。尽管粉体在等离子高温下发生冶金熔融,涂层中还是存在一些明显的孔隙,但数量和尺寸都较热喷涂层少很多。
空蚀实验进行6h后,热喷涂层被严重破坏,停止实验,等离子熔覆涂层和对比不锈钢进行36h后停止。图4是热喷涂层空蚀后的SEM形貌,从图4(a)中看到涂层被空蚀严重破坏,暴露出的粗化后的基体表面,空蚀后的表层以及分界清晰的涂层壁面,“夹生”粒子弥散在整个涂层中,从正面看涂层中含有一些较大的孔隙。从图4(b)中可以看到,整个涂层由变形的扁平粒子和未熔粒子组成,由于Ni46具有自熔性质,故除上述组织外,涂层中有小块熔融体的痕迹,但整体上,涂层中的结合是扁平化的粒子和“夹生”粒子等组成,属于机械结合的方式。由于涂层间的结合力小,在空蚀过程中扁平粒子在连续不断溃灭气泡的冲击下,发生碎裂从表面层状剥离,尽管“夹生”粒子本身致密强度高,耐空蚀冲击,在其周围的包覆层被剥离后,整个粒子也会自行脱落,所以对涂层的整体抗空蚀性能贡献不大。
从图5可以看出,等离子熔覆的镍基涂层表面仅仅出现了稍微粗糙化,材料失重少,从截面图看涂层在溃灭气泡的冲击下呈现出不规则空蚀面,内部只出现了微小裂纹,这与材料的在空蚀下的冲击疲劳性能有关,涂层内部的冶金组织结构,保证了其具备较强的结合强度和冲击韧性。另外,涂层中高含量的Cr增加了涂层的熔融润湿性,促使其形成完整的大块熔覆体。因此等离子熔覆涂层比热喷涂涂层必然表现出高的抗空蚀能力。
2·2 显微硬度
由于热喷涂涂层破坏严重,仅对熔覆涂层空蚀前后的截面显微硬度进行了对比,测定从涂层与基体交界处到涂层表面,尽可能的远离裂纹,取平行5点的平均值,见图6,涂层横截面的硬度在空蚀前后发生了明显的变化,镍基涂层从界面向外逐渐上升,在接近表面的涂层的硬度最高略有下降,波动性较大,此表现出的硬度变化与等离子熔覆的特性有关[6],空蚀后镍基涂层硬度变化与常规材料相反,多数金属材料因空蚀过程中空泡溃灭对涂层进行反复的冲击,引起了表面下层组织的加工硬化效应[8],此镍基涂层整体显微硬度没有提高反而有所降低,保持在500HV左右,未出现明显的硬度梯度现象,说明其内部组织结构比较均匀,推测其在空蚀过程中出现了加工软化的现象,这可能与空泡溃灭产生的微射流对材料的高强度密集冲击有关,表层材料的软化有助于对气泡溃灭时候能量的吸收,从而降低其对表面的冲击损伤[9]。
涂层空蚀后变得平缓还说明此时疲劳损伤还未出现。熔覆涂层空蚀后表面部分物相发生变化,说明空蚀过程伴随局部高温热效应。由此可见,空蚀是一个极其复杂的物理化学过程。
2·3 失重分析
通过SEM分析,初步确定了涂层的空蚀破坏特征与损伤形式,从累积失重图7(a)中可以看出,热喷涂涂层失重最严重,等离子熔覆涂层失重与对比材料0Cr13Ni5Mo较为接近,从材料的失重速率上可以看出,图7(b)中,对比不锈钢开始失重速率基本不变,出现了典型的空蚀孕育期,此时对比不锈钢出现了加工硬化,随着空蚀进行疲劳损伤作用增大,失重速率随时间而增加[10]。熔覆涂层的失重速率开始就稳定增加,中间变化比较稳定,在后期出现了下降的趋势。
这种表现反常的失重情况,可能与涂层表现出的加工软化有关,有待进一步验证。另外,由于等离子熔覆涂层仍然存在孔隙等缺陷,容易引发材料的疲劳裂纹生成,失重影响因素增多,所以调整等离子熔覆工艺,降低缺陷的含量,对提高涂层的抗空蚀损伤性能具有重要意义。
3 结论
1)热喷涂涂层属于变形粒子堆积结构,涂层与基体及涂层内层与层之间的结合力主要是机械力,孔隙较多,导致空蚀性能差;等离子熔覆涂层组织致密,与基体冶金结合,孔隙少,具有较好的耐空蚀性能；2)热喷涂涂层物相组成与原粉基本一致,喷涂过程对喷涂粒子热影响很小。等离子熔覆后涂层中生成Cr5B3、SiC、等新物相,空蚀过程引起了熔覆层物相变化;
3)镍基熔覆涂层在空蚀后分布较空蚀前均匀,在空蚀作用下出现了加工软化现象。
图略
参考文献略
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