孫友貝，王偉，李定駿，馮文，胡維成

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 引言

截止2014年底，我國(guó)的水電裝機(jī)容量已經(jīng)突破3億千瓦，約占全球水電裝機(jī)總量的四分之一，躍居世界第一。作為利用效率高、調(diào)度靈活、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)的能源，水力發(fā)電在我國(guó)能源戰(zhàn)略中有著舉足輕重的地位。我國(guó)水電站建立在泥沙含量高、河流落差大的特殊位置，這種工況環(huán)境對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件，如葉輪、導(dǎo)葉等造成沖刷、磨損或氣蝕等損傷，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。若解決上述磨損問(wèn)題對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響，提高發(fā)電效率平均約1%，全國(guó)1億千瓦水電站機(jī)組將增加100萬(wàn)千瓦的發(fā)電能力。按照每個(gè)葉輪200億元計(jì)算，如果葉輪使用壽命增加約10%，全國(guó)13 000臺(tái)水輪機(jī)將節(jié)約260億元。這是一個(gè)蘊(yùn)藏巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值并且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要人們?nèi)コ浞职l(fā)掘[1-2]。

為解決此類(lèi)問(wèn)題，表面涂層技術(shù)是最為有效的途徑之一，該涂層技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低，適用于現(xiàn)場(chǎng)操作，尤其適用于水輪機(jī)葉輪表面等較大面積的防護(hù)和修復(fù)，是一種節(jié)能且高效的防護(hù)技術(shù)。其中，超音速火焰噴涂是目前廣泛使用的一種水輪機(jī)過(guò)流部件表面耐磨涂層的制備方法之一。利用該技術(shù)制備的WC涂層具有結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合力強(qiáng)、抗沖刷磨損性能優(yōu)異等特點(diǎn)[1]。

本文研究超音速火焰噴涂技術(shù)制備兩種WC涂層，研究不同粉末下制備的涂層組織結(jié)構(gòu)，抗沖蝕及抗氣蝕性能研究，為水輪機(jī)過(guò)流部件中使用涂層的WC粉末篩選及耐磨涂層制備提供理論和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 噴涂材料及方法

選用0Cr18Ni9不銹鋼作為耐磨涂層的基體；兩種耐磨涂層所用粉末分別為進(jìn)口WC-10Co-4Cr粉末和國(guó)產(chǎn)WC-10Co-4Cr粉末，兩種粉末的粒徑分布均為15～45 μm；采用超音速火焰噴涂設(shè)備制備兩種耐磨涂層，涂層厚度約為190～220 μm，噴涂參數(shù)如表1所示。

表1 噴涂參數(shù)

1.2 硬度及開(kāi)裂韌性

在300 gf載荷下，測(cè)定兩種涂層的硬度。在顯微鏡下測(cè)定顯微硬度壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的一半a和壓痕裂紋長(zhǎng)度c，壓痕示意圖如圖1所示。

圖1 壓痕示意圖[3]

在5 kg載荷下，根據(jù)下列Wilshaw公式測(cè)定兩種涂層的開(kāi)裂韌性Kc[4]。

其中：P為載荷，N；a為壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度一半，μm；c為壓痕中心至裂紋末端距離，μm。

1.3 沖刷試驗(yàn)

沖刷試驗(yàn)參數(shù)：沖刷顆粒為40～70目SiO2；沖刷液體為自來(lái)水；砂濃度為12%；沖刷時(shí)間為15 min，共沖刷2次；沖刷距離為25 mm；沖刷方式為 90°沖刷和 30°沖刷[5]。

1.4 氣蝕試驗(yàn)

參照GB 6383-1986 （振動(dòng)空蝕試驗(yàn)方法）對(duì)上述涂層進(jìn)行周期為1 h共12 h的氣蝕試驗(yàn)。氣蝕試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)溶液為900 mL蒸餾水，試驗(yàn)溫度為25±1℃，設(shè)備頻率為 20±0.5 kHz，振幅為22±1 μm，試樣侵入溶液深度為3 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)

圖2給出了兩種粉末下制備涂層的金相圖，從圖中可以看出進(jìn)口粉末制備的涂層與基材結(jié)合良好，涂層致密且氧化不明顯，涂層孔隙率約為0.07%；國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層與基材結(jié)合良好，涂層致密且氧化相對(duì)較多，涂層孔隙率約為0.085%。

圖2 耐磨涂層金相圖

2.2 涂層力學(xué)性能

表2給出了300 gf載荷下兩種涂層的硬度，從硬度值可以看出國(guó)產(chǎn)粉末下制備的涂層的硬度大于進(jìn)口粉末下制備的涂層，該結(jié)果主要是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)粉末制備的涂層氧化相對(duì)較多，產(chǎn)生較多脆性物質(zhì)，該脆性物質(zhì)硬度相對(duì)較大，從而導(dǎo)致該涂層硬度變化較大。

表2 涂層硬度

圖3給出了5 kg載荷下涂層的顯微硬度壓痕，根據(jù)開(kāi)裂韌性公式分別計(jì)算出兩種涂層的開(kāi)裂韌性，進(jìn)口粉末制備的涂層開(kāi)裂韌性為3.13 MPam1/2；國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層開(kāi)裂韌性為3.43 MPam1/2。一般情況下，涂層的硬度與開(kāi)裂韌性成反比關(guān)系，即涂層硬度越大，涂層的開(kāi)裂韌性越小，而上述試驗(yàn)結(jié)果并未表現(xiàn)該關(guān)系，從上述組織結(jié)構(gòu)分析，由于國(guó)產(chǎn)粉末制備下的涂層孔隙率大于進(jìn)口粉末制備的涂層，對(duì)應(yīng)力具有釋放的作用，一定程度可以阻礙裂紋的擴(kuò)展；雖然國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層的氧化物較多，但總體含量并不高，一定量的氧化物對(duì)裂紋的擴(kuò)展可能具有 “釘扎”作用，某種程度可能阻礙了裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致了上述試驗(yàn)結(jié)果[3]。

圖3 顯微壓痕金相圖

2.3 涂層抗沖刷性能

圖4給出了90°沖刷30 min后試樣的外觀形貌涂層，就表面的沖刷面積而言，可以觀察到基材的沖刷面積最大，其次是進(jìn)口粉末制備的涂層，最小的為國(guó)產(chǎn)粉末下制備的涂層；中心位置顏色較深，說(shuō)明該處沖刷深度較大，周邊呈現(xiàn)白色，這主要是反光導(dǎo)致該現(xiàn)象。圖5給出了30°沖刷30 min后試樣的外觀形貌涂層，就表面的沖刷面積而言，可以觀察到基材的沖刷面積最大，其次是國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層，最小的為進(jìn)口粉末下制備的涂層；中心位置顏色較深，說(shuō)明該處沖刷深度較大，周邊呈現(xiàn)白色，這主要是反光導(dǎo)致該現(xiàn)象。與90°沖刷方式相比，30°沖刷對(duì)三種試樣表面沖刷較大。由于國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層硬度大于進(jìn)口粉末制備的涂層，對(duì)外界顆粒的抗沖刷能力大；國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層開(kāi)裂韌性大于進(jìn)口粉末制備的涂層，對(duì)裂紋的擴(kuò)展阻礙能力大于進(jìn)口粉末制備的涂層，相對(duì)而言前者涂層不易被撕掉，故而產(chǎn)生上述試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 90°沖刷30 min后，試樣表面外觀形貌圖

圖5 30°沖刷30 min后，試樣表面外觀形貌圖

經(jīng)過(guò)30 min，90°和30°沖刷試驗(yàn)后，累計(jì)失重量大小均依次是基材、進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)（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）。由于不銹鋼和WC涂層的密度不一樣（不銹鋼密度～7.9 g/cm3； WC 涂層密度～14.6 g/cm3）， 故將試樣失重量轉(zhuǎn)換為體積磨損量，如圖6和圖7所示，從圖中可以看出，試樣的體積損失量大小依次為基材、進(jìn)口粉末制備的涂層、國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層，同一個(gè)試樣的單位時(shí)間體積磨損量隨著時(shí)間的增加是先增加后減小，開(kāi)始階段由于試樣表面有較大的粗糙度，所以表面容易被沖刷掉，而隨后的沖刷，使得試樣表面逐漸光滑，粗糙度降低，試樣單位時(shí)間體積損失量降低。

圖6 90°沖刷，試樣體積磨損量

圖7 30°沖刷，試樣體積損失量

2.4 涂層抗氣蝕性能

圖8給出了不同氣蝕試驗(yàn)時(shí)間后試樣的外觀形貌圖，從圖中可以看出，試樣經(jīng)過(guò)12 h氣蝕試驗(yàn)后，基材中心處發(fā)暗，四周相對(duì)較亮，兩種涂層表面粗糙度變大，隨后涂層表面粗糙度變化不大，并且涂層表面逐漸從平面變成凹面，根據(jù)超聲波原理可以得出，涂層中心的振動(dòng)影響較大，故越靠中心的位置涂層失重越大，最終導(dǎo)致了凹面的形狀。

圖8 12 h氣蝕后，試樣表面外觀形貌圖

經(jīng)過(guò)12 h氣蝕試驗(yàn)后進(jìn)口粉末制備的涂層、基材以及國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層質(zhì)量損失量分別為42.37 g×10-3、 12.31 g×10-3和 22.67 g×10-3， 將質(zhì)量損失量轉(zhuǎn)換為體積損失量見(jiàn)圖9，從圖中可以直觀地看出，在相同時(shí)間點(diǎn)下，國(guó)產(chǎn)粉末下制備的涂層抗氣蝕能力優(yōu)于基材，而基材的抗氣蝕能力強(qiáng)于進(jìn)口粉末下制備的涂層。由于進(jìn)口粉末制備的涂層硬度和開(kāi)裂韌性小于國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層，故而涂層的結(jié)合力相對(duì)較低，在超聲波作用下，進(jìn)口粉末制備的涂層相對(duì)其他試樣更容易脫落。氣蝕試驗(yàn)開(kāi)始階段，由于兩種涂層的體積損失量遠(yuǎn)大于基材的損失量，3 h后，三種試樣的單位時(shí)間內(nèi)的體積損失量逐漸趨于平穩(wěn)。由于開(kāi)始階段涂層表面附有少許的外來(lái)物質(zhì) （丙酮清洗不可能徹底清除涂層表面外來(lái)物質(zhì)），在超聲波1 h的作用下，外來(lái)物質(zhì)將大大減少，且兩種涂層表面的粗糙度大于基材的粗糙度，容易在超聲波作用下脫落，故開(kāi)始階段涂層的單位時(shí)間內(nèi)的體積損失量大，一段時(shí)間后，涂層外觀形貌隨時(shí)間的變化改變不大，即涂層粗糙度和腐蝕坑的大小和數(shù)量變化不大，涂層抗氣蝕能力逐漸趨于穩(wěn)定，從而使得涂層單位時(shí)間內(nèi)的損失量逐漸趨于平穩(wěn)。

3 結(jié)論

（1）相同參數(shù)下，兩種粉末制備的涂層與基材結(jié)合良好，兩種涂層的孔隙率均小于1%，但進(jìn)口粉末制備的涂層孔隙率低于國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層，進(jìn)口粉末制備的涂層氧化程度也低于國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層；

（2）國(guó)產(chǎn)粉末制備的WC涂層的硬度及開(kāi)裂韌性均大于進(jìn)口粉末制備的WC涂層；

（3）相同試驗(yàn)條件下，國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層抗沖刷性能優(yōu)于進(jìn)口粉末制備的涂層，進(jìn)口粉末制備的涂層抗沖刷性能優(yōu)于基材；

（4）相同試驗(yàn)條件下，國(guó)產(chǎn)粉末制備的涂層抗氣蝕性能優(yōu)于基材，基材的抗氣蝕性能優(yōu)于進(jìn)口粉末制備的涂層。

綜上所述，選用國(guó)產(chǎn)WC-10Co-4Cr粉末，采用超音速火焰噴涂的WC耐磨涂層具有較好的抗沖刷性能和抗氣蝕性能，對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼有很好的保護(hù)作用，且價(jià)格低廉 （價(jià)格僅為進(jìn)口WC-10Co-4Cr粉末的一半），在水輪機(jī)過(guò)流部件涂層保護(hù)上具有較好的應(yīng)用前景。