热喷涂与熔覆技术制备镍基涂层的空蚀性能.doc

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
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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(Cavitationerosion)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LordRayleigh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360mm,在直径300mm圆周上均匀分布6个试样,试样空蚀面直径为28mm,嵌入到圆盘中测试面与圆盘面持平。空蚀源为直径10mm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
2·1SEM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