伏 利,陳小明,3,劉 偉,衛(wèi)國英,毛鵬展,趙 堅

(1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所,杭州 310024;2.水利部杭州機(jī)械設(shè)計研究所,杭州 310012; 3.北京科技大學(xué),北京1000833;4.中國計量大學(xué),杭州 310012)

水輪機(jī)是將水的勢能、動能轉(zhuǎn)化為電能的主要設(shè)備,其性能直接影響到水電站是否能夠正常運行。汽蝕是水輪機(jī)過流部件失效的主要形式之一,也是水輪機(jī)、水泵等水力機(jī)械過流部件表面普遍存在的問題。汽蝕使水輪機(jī)過流部件表面產(chǎn)生魚鱗坑或使表面呈海綿狀,破壞了表面原有的繞流條件,降低了水輪機(jī)效率和出力,嚴(yán)重時可使機(jī)組產(chǎn)生強烈的振動、噪音及負(fù)荷波動,導(dǎo)致機(jī)組不能安全穩(wěn)定運行。嚴(yán)重汽蝕也會大大縮短機(jī)組的檢修周期,增加了機(jī)組檢修的復(fù)雜性,延長了維修工期,影響電力生產(chǎn)[1-5]。

磨蝕破壞主要發(fā)生在材料的表面,所以采用熱噴涂技術(shù)在基體材料表面制備抗磨涂層是強化材料表面結(jié)構(gòu)、提高抗磨蝕性能的有效途徑之一,因此涂層必須具有高的硬度、強度和良好的韌性[6-7]。超聲速火焰噴涂技術(shù)(HVOF)是一種利用丙烷、乙炔、煤油等作為燃料,以高壓氧氣作為助燃劑的表面處理技術(shù)[8]。WC-12Co和25%NiCr-Cr3C2復(fù)合粉末作為熱噴涂常用的金屬陶瓷粉已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,本工作利用HVOF噴涂制備了Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層,通過光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計、沖擊韌性試驗機(jī)、摩擦磨損試驗機(jī)、掃描電子顯微鏡對比分析了涂層的組織結(jié)構(gòu)、硬度、沖擊韌性、抗磨損性能,并探討涂層的磨蝕機(jī)理,為解決水輪機(jī)的磨蝕問題提供參考。

1 試驗

1.1 涂層的制備

以0Cr13Ni5Mo不銹鋼為基體材料,噴涂前將基體材料用乙醇清洗干凈并烘干,再用550～830 μm白剛玉進(jìn)行毛化處理,噴砂角度為60°～80°,空氣壓力為0.4～0.5 MPa,噴砂距離為80～100 mm。毛化處理后的基體表面粗糙度為8～12 μm。

熱噴涂粉采用Cr3C2-25NiCr粉和WC-12Co粉,粉體都具有良好的球形度和良好的流動性,經(jīng)團(tuán)聚后形成的粉粒尺寸均在15～45 μm,其在掃描電鏡(SEM)下的微觀形貌如圖1所示。

(a) Cr3C2-25NiCr粉

(b) WC-12Co粉圖1 Cr3C2-25NiCr粉體和WC-12Co粉體的SEM圖Fig.1 SEM images of Cr3C2-25NiCr powders (a) and WC-12Co powders (b)

噴涂設(shè)備為國產(chǎn)超聲速火焰噴涂設(shè)備,該設(shè)備以航空煤油為燃料,氧氣為助燃?xì)怏w,氮氣為送粉載氣。工藝優(yōu)化后Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的噴涂參數(shù)如表1所示。

表1 Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的噴涂參數(shù)Tab.1 Spraying parameters of Cr3C2-25NiCr coating and WC-12 cocoating

1.2 涂層的表征與測試

將切割好的涂層試樣鑲嵌磨拋,在KMM-500E型光學(xué)顯微鏡下,利用圖像法測量分析涂層的孔隙率,測10個區(qū)域并求平均值。采用顯微硬度計測涂層的顯微硬度,載荷為1.96 N。采用X’Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)對涂層進(jìn)行物相分析。利用Zeiss Supra55掃描電子顯微鏡對涂層表面及截面進(jìn)行微觀形貌觀察和顯微組織分析,并對汽蝕后涂層表面的形貌進(jìn)行對比觀察,以分析不同結(jié)構(gòu)涂層的海水汽蝕失效機(jī)理。

利用自主研發(fā)的SQC-T001高強高韌沖擊韌性試驗機(jī)對涂層試樣的沖擊韌性進(jìn)行比較,并在RETC進(jìn)口光學(xué)輪廓儀下觀察涂層沖擊后的凹坑,得到凹坑直徑和深度。沖擊韌性試驗中,沖擊功為12.94 J,由質(zhì)量為880 g的球自1.5 m高處下落產(chǎn)生。

采用SQC-200三相流磨蝕試驗系統(tǒng)模擬水輪機(jī)在含石英砂水環(huán)境中的運行工況,通過加速磨蝕試驗測試試樣的抗磨蝕性能。試樣尺寸為18.7 mm×18.7 mm。轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,石英砂與水的質(zhì)量比為4∶6,試驗時間為6 h。采用精度為0.000 01 g的分析天平稱量試樣磨蝕試驗前后質(zhì)量,通過失重法分析試樣的抗磨蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微結(jié)構(gòu)及物相分析

由圖2可見,HVOF制備的Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層,其硬質(zhì)相與黏結(jié)相結(jié)合緊密,且彌散分布在黏結(jié)相中;兩種涂層組織結(jié)構(gòu)致密,無明顯層狀結(jié)構(gòu),未出現(xiàn)裂紋等明顯缺陷,但都存在一定的孔隙。測量得到Cr3C2-25NiCr涂層的平均孔隙率約為0.97%,WC-12Co涂層的平均孔隙率約為0.56%。這些孔隙主要是噴涂粒子相互搭接堆積、熔融粒子體積收縮,以及熔融粒子中的氣體析出等原因造成的[9-11]。低孔隙可減少腐蝕通道的存在,提高涂層的耐腐蝕性能。硬度測試結(jié)果顯示,Cr3C2-25NiCr涂層的平均硬度為1 113 HV,WC-12Co涂層的平均硬度為1 241 HV,而0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的平均硬度為330 HV。WC-12Co涂層的孔隙率略低于Cr3C2-25NiCr涂層,而WC-12Co涂層的硬度要高于Cr3C2-25NiCr涂層。涂層的顯微硬度取決于顯微組織中基體的硬度,硬質(zhì)相的組成、大小、分布,涂層的孔隙率,粒子之間的結(jié)合力及晶粒的大小等許多因素[12-14]。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層

(b) WC-12Co涂層圖2 兩種涂層截面的SEM圖Fig.2 SEM images of cross sections of Cr3C2-25NiCr coating (a) and WC-12Co coating (b)

圖3為Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層的XRD譜。從圖3可知:Cr3C2-25NiCr涂層以Cr3C2、Cr7C3、(Ni、Cr)固溶體為主相,涂層中的Cr7C3相主要是由于部分Cr3C2脫碳氧化形成,Cr7C3相比Cr3C2相具有更好的韌性,這有利于提高涂層的抗磨蝕性能;WC-12Co涂層以WC相為主相,但也存在較弱的W2C相的衍射峰,說明在噴涂過程中,部分WC相中C與O2反應(yīng)發(fā)生分解脫碳。雖然W2C相可以提高涂層的顯微硬度,但W2C相脆性大[15-16],會降低涂層的沖擊韌性和抗磨蝕性,在噴涂過程中應(yīng)盡量避免。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層

(b) WC-12Co涂層圖3 兩種涂層的XRD譜Fig.3 XRD patterns of Cr3C2-25NiCr coating (a) and WC-12Co coating (b)

2.2 涂層的沖擊韌性

沖擊韌性試驗后,將Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層在置于光學(xué)輪廓儀下觀察其表面凹坑,結(jié)果如圖4所示。通過軟件分析得到,Cr3C2-25NiCr涂層的沖擊凹坑深度約55 μm,直徑約4.8 mm;WC-12Co涂層的沖擊凹坑深度約30 μm,直徑約3.5 mm;0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的沖擊凹坑深度約85 μm,直徑約7.0 mm。在相同的沖擊功下,Cr3C2-25NiCr涂層的變形大于WC-12Co涂層,但小于0Cr13Ni5Mo不銹鋼。這說明三種材料的沖擊韌性順序為WC-12Co涂層>Cr3C2-25NiCr涂層>0Cr13Ni5Mo不銹鋼。這也間接證明了WC-12Co涂層硬度最大,Cr3C2-25NiCr涂層硬度次之,0Cr13Ni5Mo不銹鋼硬度最小。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層

(b) WC-12Co涂層

(c) 0Cr13Ni5Mo不銹鋼圖4 兩種涂層和基體表面的沖擊凹坑Fig.4 Impact pits on surfaces of Cr3C2-25NiCr coating (a) WC-12Co coating and 0Cr13Ni5Mo stainless steel substrate (c)

2.3 涂層的抗磨蝕性能

由表2可見,經(jīng)過6 h沖蝕試驗后,Cr3C2-25NiCr涂層、WC-12Co涂層與0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的質(zhì)量損失分別為0.536 43,0.168 61,0.910 46 g。用基體與涂層的質(zhì)量損失來評價材料的抗磨蝕性能?？梢?Cr3C2-25NiCr涂層的抗磨蝕性能是0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的1.7倍;WC-12Co涂層的抗磨蝕性是0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體的5.4倍,是Cr3C2-25NiCr涂層的3.2倍。涂層的抗磨蝕性能與涂層的顯微硬度、沖擊韌性有著直接關(guān)系,而WC-12Co涂層的顯微硬度、沖擊韌性均大于Cr3C2-25NiCr涂層,Cr3C2-25NiCr涂層的顯微硬度、沖擊韌性大于0Cr13Ni5Mo不銹鋼。這說明涂層的顯微硬度、沖擊韌性、抗磨蝕性能具有統(tǒng)一性。

表2 Cr3C2-25NiCr涂層與WC-12Co涂層的抗磨蝕性能Tab.2 Erosion corrosion resistance of Cr3C2-25NiCr coating and WC-12Co coating

圖5為Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層表面沖蝕后的微觀形貌。Cr3C2-25NiCr涂層表面具有較深的犁溝,如圖5(a)所示,高倍下可見涂層表面存在微裂紋和凹坑,如圖5(b)所示;在WC-12Co涂層表面可見大量凸出的涂層顆粒,如圖5(c)所示,在高倍下可見涂層顆粒呈斷裂形貌,并伴有微裂紋和凹坑,如圖5(d)所示。這主要是高速運動的砂粒首先切削掉硬度較低的金屬黏結(jié)相NiCr、Co,隨著磨蝕時間的推移,暴露的硬質(zhì)相Cr3C2、WC受到石英砂的不斷撞擊發(fā)生切削斷裂或脫落,造成涂層的不斷磨損,此時砂粒對涂層表面的作用主要表現(xiàn)為犁削和撞擊兩個方面。在試驗過程中,轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)形成強大的渦流,帶動砂粒在水中高速、劇烈運動,同時伴有大量的氣泡產(chǎn)生,而氣泡在涂層表面破裂的瞬間也會產(chǎn)生巨大的沖擊力。因此,從模擬試驗結(jié)果可知,在含有泥沙的流水、高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境中,涂層的失效主要是砂粒、水、氣泡三相流復(fù)合磨蝕作用的結(jié)果。

(a) Cr3C2-25NiCr涂層,低倍

(b) Cr3C2-25NiCr涂層,高倍

(c) WC-12Co涂層,低倍

(d) WC-12Co涂層,高倍圖5 Cr3C2-25NiCr涂層和WC-12Co涂層沖蝕后SEM形貌Fig.5 SEM images of Cr3C2-25NiCr coating (a,b) and WC-12Co coating (c,d) after erosion corrosion at low and high magnifications

3 結(jié)論

(1) 采用HVOF噴涂制備的WC-12Co涂層組織較為致密,硬質(zhì)相粒子彌散分布在基體中,涂層無層狀分布,Cr3C2-25NiCr涂層組織存在少量孔洞。WC-12Co涂層的孔隙率為0.56%,平均顯微硬度為1 241 HV;Cr3C2-25NiCr涂層的孔隙率為0.97%,平均顯微硬度為1 113 HV。

(2) WC-12Co涂層的沖擊韌性高于Cr3C2-25NiCr涂層。

(3) 3種材料的抗磨蝕性能的順序為WC-12Co涂層>Cr3C2-25NiCr涂層>0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體。

(4) 涂層的磨蝕失效是由砂粒、水、氣泡三相流復(fù)合磨蝕作用引起的,主要表現(xiàn)為犁削和撞擊兩個方面。