超音速火焰喷涂WC涂层组织结构、抗冲刷性能及抗气蚀性能研究

孙友贝，王伟，李定骏，冯文，胡维成

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

截止2014年底，我国的水电装机容量已经突破3亿千瓦，约占全球水电装机总量的四分之一，跃居世界第一。作为利用效率高、调度灵活、开发经济的能源，水力发电在我国能源战略中有着举足轻重的地位。我国水电站建立在泥沙含量高、河流落差大的特殊位置，这种工况环境对水轮机过流部件，如叶轮、导叶等造成冲刷、磨损或气蚀等损伤，对机组安全运行造成严重影响。若解决上述磨损问题对发电机组的影响，提高发电效率平均约1%，全国1亿千瓦水电站机组将增加100万千瓦的发电能力。按照每个叶轮200亿元计算，如果叶轮使用寿命增加约10%，全国13 000台水轮机将节约260亿元。这是一个蕴藏巨大经济价值并且具有挑战性的任务，需要人们去充分发掘[1-2]。

为解决此类问题，表面涂层技术是最为有效的途径之一，该涂层技术设备简单、成本较低，适用于现场操作，尤其适用于水轮机叶轮表面等较大面积的防护和修复，是一种节能且高效的防护技术。其中，超音速火焰喷涂是目前广泛使用的一种水轮机过流部件表面耐磨涂层的制备方法之一。利用该技术制备的WC涂层具有结构致密、结合力强、抗冲刷磨损性能优异等特点[1]。

本文研究超音速火焰喷涂技术制备两种WC涂层，研究不同粉末下制备的涂层组织结构，抗冲蚀及抗气蚀性能研究，为水轮机过流部件中使用涂层的WC粉末筛选及耐磨涂层制备提供理论和技术支撑。

1 实验方法

1.1 喷涂材料及方法

选用0Cr18Ni9不锈钢作为耐磨涂层的基体；两种耐磨涂层所用粉末分别为进口WC-10Co-4Cr粉末和国产WC-10Co-4Cr粉末，两种粉末的粒径分布均为15～45 μm；采用超音速火焰喷涂设备制备两种耐磨涂层，涂层厚度约为190～220 μm，喷涂参数如表1所示。

表1 喷涂参数

1.2 硬度及开裂韧性

在300 gf载荷下，测定两种涂层的硬度。在显微镜下测定显微硬度压痕对角线长度的一半a和压痕裂纹长度c，压痕示意图如图1所示。

图1 压痕示意图[3]

在5 kg载荷下，根据下列Wilshaw公式测定两种涂层的开裂韧性Kc[4]。

其中：P为载荷，N；a为压痕对角线长度一半，μm；c为压痕中心至裂纹末端距离，μm。

1.3 冲刷试验

冲刷试验参数：冲刷颗粒为40～70目SiO2；冲刷液体为自来水；砂浓度为12%；冲刷时间为15 min，共冲刷2次；冲刷距离为25 mm；冲刷方式为 90°冲刷和 30°冲刷[5]。

1.4 气蚀试验

参照GB 6383-1986 （振动空蚀试验方法）对上述涂层进行周期为1 h共12 h的气蚀试验。气蚀试验参数：试验溶液为900 mL蒸馏水，试验温度为25±1℃，设备频率为 20±0.5 kHz，振幅为22±1 μm，试样侵入溶液深度为3 mm。

2 试验结果及分析

2.1 涂层组织结构

图2给出了两种粉末下制备涂层的金相图，从图中可以看出进口粉末制备的涂层与基材结合良好，涂层致密且氧化不明显，涂层孔隙率约为0.07%；国产粉末制备的涂层与基材结合良好，涂层致密且氧化相对较多，涂层孔隙率约为0.085%。

图2 耐磨涂层金相图

2.2 涂层力学性能

表2给出了300 gf载荷下两种涂层的硬度，从硬度值可以看出国产粉末下制备的涂层的硬度大于进口粉末下制备的涂层，该结果主要是因为国产粉末制备的涂层氧化相对较多，产生较多脆性物质，该脆性物质硬度相对较大，从而导致该涂层硬度变化较大。

表2 涂层硬度

图3给出了5 kg载荷下涂层的显微硬度压痕，根据开裂韧性公式分别计算出两种涂层的开裂韧性，进口粉末制备的涂层开裂韧性为3.13 MPam1/2；国产粉末制备的涂层开裂韧性为3.43 MPam1/2。一般情况下，涂层的硬度与开裂韧性成反比关系，即涂层硬度越大，涂层的开裂韧性越小，而上述试验结果并未表现该关系，从上述组织结构分析，由于国产粉末制备下的涂层孔隙率大于进口粉末制备的涂层，对应力具有释放的作用，一定程度可以阻碍裂纹的扩展；虽然国产粉末制备的涂层的氧化物较多，但总体含量并不高，一定量的氧化物对裂纹的扩展可能具有 “钉扎”作用，某种程度可能阻碍了裂纹的扩展，从而导致了上述试验结果[3]。

图3 显微压痕金相图

2.3 涂层抗冲刷性能

图4给出了90°冲刷30 min后试样的外观形貌涂层，就表面的冲刷面积而言，可以观察到基材的冲刷面积最大，其次是进口粉末制备的涂层，最小的为国产粉末下制备的涂层；中心位置颜色较深，说明该处冲刷深度较大，周边呈现白色，这主要是反光导致该现象。图5给出了30°冲刷30 min后试样的外观形貌涂层，就表面的冲刷面积而言，可以观察到基材的冲刷面积最大，其次是国产粉末制备的涂层，最小的为进口粉末下制备的涂层；中心位置颜色较深，说明该处冲刷深度较大，周边呈现白色，这主要是反光导致该现象。与90°冲刷方式相比，30°冲刷对三种试样表面冲刷较大。由于国产粉末制备的涂层硬度大于进口粉末制备的涂层，对外界颗粒的抗冲刷能力大；国产粉末制备的涂层开裂韧性大于进口粉末制备的涂层，对裂纹的扩展阻碍能力大于进口粉末制备的涂层，相对而言前者涂层不易被撕掉，故而产生上述试验结果。

图4 90°冲刷30 min后，试样表面外观形貌图

图5 30°冲刷30 min后，试样表面外观形貌图

经过30 min，90°和30°冲刷试验后，累计失重量大小均依次是基材、进口、国产（90°：4.20 g×10-3/min、 3.36 g×10-3/min、 2.81 g×10-3/min； 30°：5.83 g×10-3/min、 3.64 g×10-3/min、 2.99 g×10-3/min）。由于不锈钢和WC涂层的密度不一样（不锈钢密度～7.9 g/cm3； WC 涂层密度～14.6 g/cm3）， 故将试样失重量转换为体积磨损量，如图6和图7所示，从图中可以看出，试样的体积损失量大小依次为基材、进口粉末制备的涂层、国产粉末制备的涂层，同一个试样的单位时间体积磨损量随着时间的增加是先增加后减小，开始阶段由于试样表面有较大的粗糙度，所以表面容易被冲刷掉，而随后的冲刷，使得试样表面逐渐光滑，粗糙度降低，试样单位时间体积损失量降低。

图6 90°冲刷，试样体积磨损量

图7 30°冲刷，试样体积损失量

2.4 涂层抗气蚀性能

图8给出了不同气蚀试验时间后试样的外观形貌图，从图中可以看出，试样经过12 h气蚀试验后，基材中心处发暗，四周相对较亮，两种涂层表面粗糙度变大，随后涂层表面粗糙度变化不大，并且涂层表面逐渐从平面变成凹面，根据超声波原理可以得出，涂层中心的振动影响较大，故越靠中心的位置涂层失重越大，最终导致了凹面的形状。

图8 12 h气蚀后，试样表面外观形貌图

经过12 h气蚀试验后进口粉末制备的涂层、基材以及国产粉末制备的涂层质量损失量分别为42.37 g×10-3、 12.31 g×10-3和 22.67 g×10-3， 将质量损失量转换为体积损失量见图9，从图中可以直观地看出，在相同时间点下，国产粉末下制备的涂层抗气蚀能力优于基材，而基材的抗气蚀能力强于进口粉末下制备的涂层。由于进口粉末制备的涂层硬度和开裂韧性小于国产粉末制备的涂层，故而涂层的结合力相对较低，在超声波作用下，进口粉末制备的涂层相对其他试样更容易脱落。气蚀试验开始阶段，由于两种涂层的体积损失量远大于基材的损失量，3 h后，三种试样的单位时间内的体积损失量逐渐趋于平稳。由于开始阶段涂层表面附有少许的外来物质 （丙酮清洗不可能彻底清除涂层表面外来物质），在超声波1 h的作用下，外来物质将大大减少，且两种涂层表面的粗糙度大于基材的粗糙度，容易在超声波作用下脱落，故开始阶段涂层的单位时间内的体积损失量大，一段时间后，涂层外观形貌随时间的变化改变不大，即涂层粗糙度和腐蚀坑的大小和数量变化不大，涂层抗气蚀能力逐渐趋于稳定，从而使得涂层单位时间内的损失量逐渐趋于平稳。

3 结论

（1）相同参数下，两种粉末制备的涂层与基材结合良好，两种涂层的孔隙率均小于1%，但进口粉末制备的涂层孔隙率低于国产粉末制备的涂层，进口粉末制备的涂层氧化程度也低于国产粉末制备的涂层；

（2）国产粉末制备的WC涂层的硬度及开裂韧性均大于进口粉末制备的WC涂层；

（3）相同试验条件下，国产粉末制备的涂层抗冲刷性能优于进口粉末制备的涂层，进口粉末制备的涂层抗冲刷性能优于基材；

（4）相同试验条件下，国产粉末制备的涂层抗气蚀性能优于基材，基材的抗气蚀性能优于进口粉末制备的涂层。

综上所述，选用国产WC-10Co-4Cr粉末，采用超音速火焰喷涂的WC耐磨涂层具有较好的抗冲刷性能和抗气蚀性能，对0Cr18Ni9不锈钢有很好的保护作用，且价格低廉 （价格仅为进口WC-10Co-4Cr粉末的一半），在水轮机过流部件涂层保护上具有较好的应用前景。