丁彰雄，石　琎，丁　翔，胡一鳴，廖星文，鄧幫華

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.贛州章源鎢業(yè)新材料有限公司，江西 贛州 341300)

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超音速火焰噴涂WC-Co(Cr)涂層在NaCl溶液中抗空蝕性能研究

丁彰雄1，石琎1，丁翔2，胡一鳴1，廖星文3，鄧幫華3

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.贛州章源鎢業(yè)新材料有限公司，江西 贛州 341300)

采用超音速火焰噴涂(HVOF)工藝制備2種微米結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr及1種納米結(jié)構(gòu)WC-12Co金屬陶瓷復(fù)合涂層；采用SEM分析涂層的組織結(jié)構(gòu)；測量了涂層的顯微硬度、孔隙率及開裂韌性；采用CorrTest電化學(xué)測試系統(tǒng)分析涂層的電化學(xué)腐蝕性能；采用超聲振動空蝕裝置研究涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl溶液中的抗空蝕性能，探討涂層的空蝕機(jī)理。結(jié)果表明：使用液體燃料HVOF工藝噴涂的納米WC-12Co涂層組織結(jié)構(gòu)最細(xì)小，孔隙率最低，顯微硬度和開裂韌性明顯高于液體燃料和氣體燃料HVOF工藝噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層；采用液體燃料HVOF工藝噴涂的微米結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%NaCl溶液中顯示了最優(yōu)異的抗腐蝕和抗空蝕性能，空蝕率僅為納米WC-12Co涂層的1/4左右。

WC-Co(Cr)涂層；超音速火焰噴涂(HVOF)；空蝕；NaCl溶液

在船舶流體機(jī)械中，船舶螺旋漿與尾軸、船舶疏浚裝置中的泥泵、船舶柴油機(jī)氣缸套與軸瓦、水泵葉輪等過渡部件常因空蝕(又稱氣蝕)而失效。這些零部件的空蝕失效不僅縮短了設(shè)備的使用壽命，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響到船舶和流體機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行[1-3]。

海洋油氣鉆井及輸送設(shè)備中的鉆井泵、離心泵和輸送泵等受到空蝕、沖蝕及腐蝕的作用，更易產(chǎn)生失效。因此，加強(qiáng)過流部件的抗空蝕性能研究，提高其在流體介質(zhì)中的抗空蝕能力，具有重大的經(jīng)濟(jì)價值。由于空蝕僅發(fā)生在零件的表面，因此，對過流部件進(jìn)行表面處理與改性，是目前最常用最經(jīng)濟(jì)的方法。隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，采用熱噴涂技術(shù)在其表面制備納米高性能涂層，不僅節(jié)約了貴重金屬，并且提高了過流部件的抗空蝕能力與使用壽命。目前抗空蝕涂層材料開發(fā)、制備技術(shù)及其性能研究已成為表面技術(shù)研究的重要課題[4-5]。

涂層的抗空蝕性能主要取決于噴涂材料的特性和涂層的制備方法。WC-Co涂層，特別是納米WC-Co涂層由于優(yōu)異的抗空蝕性能已在流體機(jī)械上得到成功的應(yīng)用[6-7]。WC-CoCr涂層比WC-Co涂層具有更高強(qiáng)度和更優(yōu)良的抗腐蝕和耐磨損性能[8-9]，因此可望在腐蝕介質(zhì)中具有更優(yōu)異的抗空蝕性能。由于超音速火焰噴涂方法具有高速低溫特性，能顯著降低WC粒子在焰流中的氧化脫碳程度，特別適合于制備不同結(jié)構(gòu)的WC-Co(Cr)金屬陶瓷涂層[10-13]。

本課題采用液體燃料超音速火焰噴涂(HVOLF)和氣體燃料超音速火焰噴涂(HVOGF)工藝分別制備了微米結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr涂層，采用HVOLF工藝制備了納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層，研究了三種WC-Co(Cr)涂層的組織特性、力學(xué)性能、電化學(xué)性能及在NaCl溶液中的抗空蝕性能，探討了這些涂層的空蝕機(jī)理，研究可為抗空蝕WC-Co(Cr)涂層材料的成分設(shè)計及其制備工藝的選擇提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)研究中基體材料為304不銹鋼，熱噴涂材料為微米結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr粉末和納米結(jié)構(gòu)WC-12Co粉末，兩種噴涂粉末特征見表1。

表1　二種WC-Co(Cr)噴涂粉末的特性

1.2試驗(yàn)方法

WC-Co(Cr)涂層采用JP8000燃油型和ZB2000燃?xì)庑统羲僭O(shè)備制備。

兩種超音速火焰噴涂參數(shù)分別見表2和表3。

考慮到粉末中不同尺寸WC在火焰中熔化程度的差異，在對納米WC-12Co粉末和普通微米WC-10Co4Cr粉末進(jìn)行噴涂時，噴涂的工藝參數(shù)有所不同。

表2　JP8000型HVOF噴涂參數(shù)

表3　ZB2000型HVOF噴涂參數(shù)

噴涂前首先使用丙酮對試樣表面進(jìn)行清洗，然后對其使用60目的棕剛玉進(jìn)行噴砂處理。噴涂后的涂層厚度大約0.50 mm，再通過拋光加工涂層到約0.45 mm，使其表面粗糙度Ra≤0.8 μm。

涂層的形貌和組織結(jié)構(gòu)分析使用FEI Quanta 250掃描電鏡(SEM)進(jìn)行，束流110 μA，電壓為20 kV。涂層顯微硬度采用HVS-1000顯微硬度儀測量，加載200 g。涂層孔隙率使用Axiovet 40 MAT金相顯微鏡測量，采用五點(diǎn)平均值法。涂層的開裂韌性使用HV5型維氏硬度計測量，載荷為5 kg，開裂韌性的計算方法見參考文獻(xiàn)[14]，其結(jié)果為十點(diǎn)平均值。涂層的空蝕試驗(yàn)按照GB/T6383-2009[15]方法在J93025超聲波振動空蝕試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，空蝕試驗(yàn)參數(shù)見表4，采用TG328電子天平對空蝕后的試樣進(jìn)行稱重，數(shù)值精確到0.1 mg。

表4　振動空蝕試驗(yàn)參數(shù)

涂層的電化學(xué)性能采用CorrTest電化學(xué)測試系統(tǒng)測量，主要包括CS300電化學(xué)工作站和CorrTest控制與數(shù)據(jù)分析軟件。在CS300電化學(xué)工作站中，使用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為白金電極，工作電極為被測試樣。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1WC-Co(Cr)涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖1為采用不同HVOF工藝制備的3種WC-Co(Cr)涂層的橫截面顯微組織結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出， HVOLF工藝噴涂的納米WC-12Co和微米WC-10Co4Cr涂層結(jié)構(gòu)更致密，涂層中的粒子與粒子結(jié)合緊密，孔隙都很少。這說明HVOLF噴涂過程中的噴涂粒子在到達(dá)表面時已具有很高的動能和熱焓值；當(dāng)撞擊表面時獲得了充分的變形，產(chǎn)生了致密的涂層結(jié)構(gòu)。比較圖1b)和c)可見，HVOLF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)比HVOGF噴涂的涂層更為致密，孔隙率更低(0.43±0.12%)。在這3種涂層中，HVOLF噴涂的納米WC-12Co涂層的組織最細(xì)小，孔隙率最低(0.11±0.05%)，HVOGF制備的微米WC-10Co4Cr涂層孔隙率最高(1.04±0.25%)。

圖1　HVOF噴涂的WC-Co( Cr)涂層的橫截面顯微組織結(jié)構(gòu)

2.2WC-Co(Cr)涂層的力學(xué)性能

圖2為HVOF噴涂的3種WC-Co(Cr)涂層的顯微硬度和開裂韌性。由圖2可見，HVOLF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層和HVOLF噴涂的納米WC-12Co涂層的顯微硬度基本相同，但比HVOGF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層的顯微硬度提高了30%左右。從圖2中還可以看出，HVOLF噴涂的納米WC-12Co涂層具有最高的開裂韌性，比同種工藝方法制備的微米WC-10Co4Cr涂層和HVOGF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層分別提高了55%左右與75%以上。

圖2　WC-Co(Cr)涂層的顯微硬度和開裂韌性

2.3WC-Co(Cr)涂層的電化學(xué)性能

圖3和表5為HVOF噴涂的3種WC-Co(Cr)涂層和304不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的電化學(xué)極化曲線以及電化學(xué)參數(shù)。分析結(jié)果表明，基體材料304不銹鋼的腐蝕電位最高(-0.280 V)，HVOGF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層的腐蝕電位為-0.557 V，與304不銹鋼的電極電位差最大。同時電流密度最大，這說明HVOGF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層的抗腐蝕性最差。HVOLF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層的腐蝕電位為-0.361 V，與304不銹鋼的電極電位差最小，并且電流密度最小，因此HVOLF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層的抗腐蝕性能最為優(yōu)良。HVOLF噴涂的納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層有較好的抗腐蝕性能。HVOGF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層抗腐蝕性差的主要原因是涂層的孔隙率較高，這些氣孔會使腐蝕介質(zhì)直達(dá)基體表面，因此降低了涂層的抗電化學(xué)腐蝕性能

圖3　WC-Co(Cr)涂層和304不銹鋼的Tafel曲線

材料涂層型號腐蝕電位/V電流密度/(μA·cm-2)304304-0.2805.16WC-12CoN1-0.3826.13WC-10Co4CrM1-0.3611.97WC-10Co4CrM2-0.55711.88

2.4WC-Co(Cr)涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的抗空蝕性能

圖4和圖5為HVOF制備的3種WC-Co(Cr)涂層層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的空蝕試驗(yàn)曲線。

圖4　WC-Co(Cr)涂層3.5%NaCl溶液中空蝕體積

圖5　WC-Co(Cr)涂層3.5%NaCl溶液中空蝕率

從圖4可以觀察到：3種涂層在NaCl溶液中的空蝕體積量基本上與時間成線性關(guān)系；HVOLF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層空蝕線性斜率最小，平均氣蝕率在0.23 mm3/h左右，并且波動范圍小，表現(xiàn)出了最優(yōu)良的抗空蝕性能；HVOLF制備納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層的空蝕體積損失居中，氣蝕率逐漸增大，最終穩(wěn)定在1.0 mm3/h左右；HVOGF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層的空蝕體積損失與平均氣蝕率都是最高，但是它的空蝕率呈逐漸減小趨勢，最終穩(wěn)定在0.8 mm3/h左右，低于HVOLF制備的納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層。

2.5WC-Co(Cr)涂層的空蝕機(jī)理分析

超音速火焰噴涂的3種WC-Co(Cr)涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中空蝕16 h后的蝕坑形貌如圖6所示。

從圖6可以看出3種涂層的空蝕形貌存在明顯差異，其主要原因是3種涂層的空蝕機(jī)理有所不同。從圖6(c)中可以看出，HVOGF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層空蝕最為明顯，主要是因?yàn)橥繉又锌紫堵矢?，顯微硬度和開裂韌性較低，并且涂層的抗腐蝕性能較差。在空蝕的過程中，空泡破裂時產(chǎn)生的交變應(yīng)力強(qiáng)力沖擊涂層表面，其空隙等薄弱處在應(yīng)力作用下首先產(chǎn)生微裂紋，形成了空蝕源，然后在氣泡破裂的應(yīng)力和射流的連續(xù)沖擊作用下，裂紋進(jìn)一步沿涂層晶界脆性組織處擴(kuò)展。這時Cl-離子浸入到已形成的裂紋中，對涂層產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，由此加速了裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)這些裂紋從不同的方向貫通時，就導(dǎo)致了WC顆粒的脫落，產(chǎn)生了空蝕坑。在空蝕開始階段，HVOGF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層的空蝕率很高，然而在穩(wěn)定階段，其空蝕率比HVOLF噴涂的納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層的空蝕率更低。由此說明，在WC-Co涂層材料中加入適量的Cr，可以提高涂層在腐蝕溶液中的抗空蝕性。

圖6　WC-Co(Cr)涂層在3.5%NaCl溶液中空蝕16h后的蝕坑形貌

在這3種WC-Co(Cr)涂層中，雖然HVOLF噴涂的納米WC-12Co涂層的孔隙率最低、顯微硬度和開裂韌性最高，但是它的抗空蝕性能比HVOLF噴涂的微米結(jié)構(gòu)WC-10Co-4Cr涂層差。對比圖6a)、b)可以觀察到，微米WC-10Co4Cr涂層空蝕坑相比納米WC-12Co涂層數(shù)量更少，蝕坑更小。這可歸結(jié)于在微米WC-10Co4Cr涂層中加入Cr后，提高了涂層的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，并且HVOLF工藝制備的涂層孔隙率低，顯微硬度和開裂韌性較高。涂層的這些特性能有效阻止空蝕裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而使HVOLF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層具有最優(yōu)異的抗空蝕性能。

3　結(jié)論

1)在不同HVOF工藝制備的3種WC-Co(Cr)中，HVOLF制備的納米WC-12Co涂層的氣孔率最低，開裂韌性和顯微硬度最高，采用HVOLF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層的顯微硬度相比HVOGF噴涂的涂層顯微硬度提高了30%左右。

2)在HVOF制備的3種WC-Co(Cr)涂層中，HVOLF噴涂的微米WC-10Co4Cr涂層在3.5%NaCl溶液中具有最高的腐蝕電位和最優(yōu)良的抗電化學(xué)腐蝕能力。

3)HVOF工藝制備的WC-Co(Cr)涂層在NaCl溶液中的抗空蝕性能，不僅取決于噴涂材料的種類，而且還取決于HVOF工藝方法，他們共同決定了涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和電化學(xué)性能。

4)在NaCl溶液中采用液體燃料HVOF工藝制備的微米WC-10Co4Cr涂層相比納米WC-12Co涂層，具有更優(yōu)異的抗空蝕與抗腐蝕性能，能進(jìn)一步提高船舶與海洋裝備過流機(jī)械零件的抗空蝕性能。

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Resistance of Cavitation Erosion of HVOF Sprayed WC-Co(Cr) Coating in NaCl Solution

DING Zhang-xiong1, SHI Jin1, DING Xiang2, HU Yi-ming1, LIAO Xing-wen3, DENG Bang-hua3

(1 School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China; 2 State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3 Ganzhou Zhangyuan Tungsten New Materials Co. Ltd, Ganzhou Jiangxi 341300, China)

Two micro-structured WC-10Co4Cr cermet coatings and a nano-structured WC-12Co cermet coating are deposited by high velocity Oxy-fuel spray (HVOF), and the morphologies and structures of the coatings are analyzed by SEM. The coatings' porosity, fracture toughness and microhardness are measured. The CorrTest electrochemical testing system is used to analyze the electrochemical corrosion properties of the coatings. Resistance of coatings to cavitation erosion is studied by ultrasonic vibration cavitation equipment in 3.5wt% NaCl solution and the cavitation mechanisms are explored. It is shown that the nano-structured WC-12Co coating deposited by high velocity oxygen liquid fuel spray has lowest porosity and the densest microstructure, and fracture toughness is significantly higher than that of micron-structured WC-10Co4Cr coatings. Although the micron-structured WC-10Co4Cr cermet coating deposited by high velocity fuel oxygen liquid spray has coarser particles than the nano-structured, it exhibits the most excellent corrosion and cavitation erosion resistance. The cavitation rate is approximately one quarter that of the nano-structured WC-12Co cermet coating in 3.5wt% NaCl solution.

WC-Co(Cr) coating; high velocity Oxy-fuel spray(HVOF); cavitation erosion; NaCl solution

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.017

2015-11-19

2015-12-05

國家自然科學(xué)基金(51422507,51379168)

丁彰雄(1961-)，男，碩士，教授

U671.99

A

1671-7953(2016)01-0086-05

研究方向:表面工程技術(shù)

E-mail:zx_ding@163.com