超音速火焰喷涂哈氏合金C-276涂层的显微结构与性能

黄 科,邓运来,刘 敏,邓春明,宋进兵

(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083;2.广州有色金属研究院,广东 广州 510650)

超音速火焰喷涂哈氏合金C-276涂层的显微结构与性能

黄 科1,2,邓运来1,刘 敏2,邓春明2,宋进兵2

(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083;2.广州有色金属研究院,广东 广州 510650)

采用超音速火焰喷涂工艺制备了C-276哈氏合金涂层,同时对涂层的显微结构、显微硬度及耐磨性进行了研究.结果表明:涂层为层状结构且致密,与基体结合牢固;涂层与C-276合金粉末均以面心立方的γ相Ni-Cr-Co-Mo合金为主晶相,保持了喷涂粉末材料的性能,但喷涂过程中产生的氧化物与气孔影响了涂层的硬度及耐磨性.

C-276合金涂层;超音速火焰喷涂;显微结构;性能

哈氏合金(HASTELLOY alloys)由美国汉斯国际公司研制开发的,是世界公认的顶级抗腐蚀合金,其广泛使用于需要稳定性、安全性及减少维护成本的各种设备的关键性部件中,如金属酸洗设备、烟气脱硫净气器及核燃料再处理、垃圾焚烧等设备.其中C-276哈氏合金具有高强度、高硬度、良好延展特性的镍-铬-钼固溶体合金,又由于铬、钼、钨或铌的含量较高,以及合金化程度较高,因此具有很强的耐点蚀性能及点蚀临界温度高等特性[1],适合在氧化性与还原性之间波动的混合溶液环境中使用,尤其适用于混入了 Fe3+及 Cu2+等强氧化性离子的盐酸、硫酸溶液的环境中.然而,C-276哈氏合金块材较贵,加工难度较大,因此限制了其应用.

热喷涂技术是将涂层材料送入热源中熔化,并利用高速气流将其喷射到基体材料表面而形成覆盖层的一种工艺[2],其中超音速火焰喷涂工艺制备的涂层与基体结合强度高、涂层致密、涂层的残余应力小及孔隙率小于1%,而且可喷涂厚涂层,近年来已广泛地应用于材料表面防护与强化等领域中.本文采用超音速火焰喷涂工艺快速制备C-276哈氏合金涂层,且对涂层的显微结构及性能进行了研究.

1 试验方法与表征

1.1 试 样

以316L作为基体,其尺寸为100 mm×60 mm×3 mm.先将基体超声除油,然后用25号刚玉砂于0.4 MPa压力下进行喷砂处理,获得粗糙度Ra为3～5μm的粗化表面,以备喷涂.

1.2 方 法

喷涂所用的粉末为日本Fujimi公司生产的C-276哈氏合金粉末,采用真空雾化工艺制备所得,呈球状,粒径为20～53μm,其化学成分列于表1,图1为该粉末的显微形貌.用德国 GTV公司生产的氧气助燃超音速火焰喷涂(HVOF)设备,在316L基体上制备C-276哈氏合金涂层,涂层厚度为500～600μm,喷涂工艺的参数列于表2.

表1 C-276合金粉末的化学组成Table 1 Chemical composition for Hastelloy C-276 powder

表2 超音速火焰喷涂工艺参数Table 2 Parameters for HVOF process

图1 C-276合金粉末形貌Fig.1 Morphology for Hastelloy C-276 powder

1.3 表 征

采用线切割法将所制备的涂层试样加工成所需要的尺寸,以进行涂层性能检测.用JL-SM5910型带能谱仪扫描电镜,对涂层的显微结构进行分析;用LeiCa DMIMR金相显微镜及自带的图像分析系统,测量涂层的孔隙率;用D/Max-RC型 X射线衍射仪对粉末及涂层的相组成进行分析;用VDMH-5型显微硬度计测试涂层的显微硬度,其中载荷为2.94 N,加载停留时间为15 s;用日本产Suga仪测试涂层的耐磨性,其中涂层试样的对磨件为100号 SiC砂纸,载荷为294 N,每组测试共反复磨400个来回[3].

2 结果及讨论

2.1 涂层的显微结构

图2为超音速火焰喷涂C-276哈氏合金涂层纵、横剖面形貌.从图2(a)可见,涂层为层状结构且较为致密,经金相图像分析仪测定涂层的孔隙率约为0.8%.从图2(b)可见:涂层中有明显的未熔颗粒(图中箭头所示),这是由于所喷涂粉末粒径较大,焰流温度及粉末的动能不足以使大粒径的C-276粉末充分熔融[4],但未熔粉末与四周涂层结合较好,没有明显地影响涂层的致密度;涂层层间发现有明显的氧化带,氧化带产生的主要原因是熔融的C-276粉末颗粒流动性及润湿性较差,在喷涂过程中与空气发生化学反应,反应所生成的表面氧化物(主要成分为Cr2O3)以及微小气泡随熔融粉末流动,在凝固时铺展而成[5].虽然氧化带可提高涂层的抗氧化性能,但是同时也降低了涂层内粒子之间的结合强度[6-7].

图3为C-276合金涂层与基体的剖面形貌.从图3可见,涂层与基体有着良好的结合,表明涂层的结合强度较高.

图2 C-276合金涂层剖面形貌(a)纵剖面;(b)经腐蚀后的横剖面Fig.2 Cross-sectional images for Hastelloy C-276 coating(a)longitudinal section;(b)the corrosion of the cross section

图3 C-276合金涂层与基体的剖面形貌Fig.3 Cross-sectional images for Hastelloy C-276 coating and substrate

2.2 涂层的相分析

图4为C-276合金粉末涂层的X射线衍射图谱.从图4可见,所制备的C-276合金涂层及粉末均为面心立方的γ相Ni-Cr-Co-Mo合金.这表明,超音速火焰温度没有明显地改变粉末的相组成.由于单相面心立方晶格结构的镍基合金具有很好的抗腐蚀性能,其中固溶的Cr,W及Mo等元素能增加原子间结合力产生的点阵畸变,降低堆垛层错能,使再结晶温度提高,因此高温时也能保持良好的热稳定性[8-9].

图4 C-276粉末和涂层的XRD图谱Fig.4 XRD patterns for Hastelloy C-276 powder and coating

2.3 涂层的显微硬度与耐磨性

涂层的硬度是表征涂层耐磨性的指标之一.经显微硬度计的测试,C-276合金涂层的平均显微硬度为630Hv,而316L基体的硬度为250Hv.由此可知,涂层的硬度明显比基体高.将C-276涂层试样和316L基体试样在日制Suga砂纸摩擦磨损试验机上测试,经过三组测试,每组试样分别被砂纸打磨400次、800次及1200次,图5为C-276合金涂层和3l6L基体的磨损结果.从图5可见,随着磨损次数的增加,涂层磨损量基本稳定,由于涂层未经过处理,强度不高.因此,可认为未经处理后的 C-276涂层的耐磨性比316L基体差些.

图5 C-276合金涂层与3l6L基体的磨损结果Fig.5 Weight loss for Hastelloy C-276 coating and 316L

3 结 论

可采用超音速火焰喷涂工艺快速制备C-276哈氏合金涂层,所制备的涂层非常致密,并与基体结合牢固,涂层层间存在氧化带;C-276合金粉末经喷涂后没有发生明显的相变,粉末与涂层均以γ相Ni-Cr-Co-Mo合金为主晶相;所制备涂层的显微硬度比316L基体高,未经处理后的C-276涂层的耐磨性比316L基体差些.

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Microstructure and properties of HVOF sprayed H astelloy C-276 coating

HUANG Ke1,2,DENG Yun-lai1,LIU Min2,DENG Chun-ming2,SONGJin-bing2
(1.Materials Science and Engineering Institution,Center South University,Changsha410083,China;2.Guangzhou Research Institute of Nonf errous Metals,Guangzhou510651,China)

A Hastelloy C-276 coating was prepared by HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)process,and the microstructure,microhardness and wear resistance of the coating were demonstrated.The results revealed that the coating was layered and dense,firmly bonded to the substrate,the main crystalline phases of the coating and Hastelloy C-276 powder were both face-centered cubicγphase structured Ni-Cr-Co-Mo alloy.The phase of coating remained to be consistent with that of spray powder.Nevertheless,the oxide and porosity generated during the spray process affected the hardness and wear resistance of the coating.

C-276 coating;HVOF;microstructure;property

TG113.2

A

1673-9981(2010)03-0207-04

2010-05-07

黄科(1977—),男,广东博罗人,工程师,学士.