何 濤，戴萬(wàn)祥，馬玉山，常占東，劉海波，劉少波，閆嘉鈺，洪 毅，郭 宏

（1.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏 吳忠 751100；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

球閥是流程工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛的流體控制裝置之一，適合壓差大，高溫管道流體的調(diào)節(jié)。在水下球閥的設(shè)計(jì)中，裝置受高溫高壓以及腐蝕影響極大[1，2]，因此，在閥體的材料選擇上，球芯材質(zhì)通常選用2205 不銹鋼[3]，而閥座通常為718 合金[4]。在工作時(shí)，球芯與閥座做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)材料的硬度要求較高，2205 不銹鋼和718 合金的硬度相對(duì)較低，為進(jìn)一步提高材料的表面硬度，通常用表面處理工藝進(jìn)行硬度提升。

火焰噴涂和真空熔覆處理是金屬材料表面處理中提升基材性能的一種非常重要的方式，其中，火焰噴涂孔隙率較高，與基材結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，為消除火焰噴涂缺陷，生產(chǎn)中常在火焰噴涂工序后對(duì)涂層進(jìn)行熔覆處理，以降低涂層的孔隙率，并使涂層與基體的結(jié)合方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，進(jìn)一步提升涂層質(zhì)量。真空熔覆能消除涂層氧化所帶來(lái)的缺陷，因?yàn)閭涫荛y門制造企業(yè)重視，真空熔覆后，基材與涂層呈冶金結(jié)合，在結(jié)合線附近，會(huì)形成一條寬度大約為100μm 左右的白亮帶，極大的提升涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度[5]。深海球閥閥芯及閥座處的腐蝕主要是管道介質(zhì)內(nèi)的HS 所引起的，其存在會(huì)降低球閥的使用壽命。

本文以718 高溫合金和2205 不銹鋼為基材，分別對(duì)基材進(jìn)行氧乙炔火焰噴涂以及真空熔覆處理，在基材表面制備涂層，并研究真空熔覆后試樣的硬度及耐蝕性能，并分析制備涂層后對(duì)基材性能的影響。

1 試樣制備

制備尺寸在φ50*50mm 的2205 不銹鋼基材10 塊，尺寸為10*10*20mm 的2205 不銹鋼和718 合金的正方形基材各兩塊，分別對(duì)進(jìn)行噴砂和火焰噴涂上粉，按照球芯生產(chǎn)工藝進(jìn)行涂層制備。其中，Ni60A 為蘭州理工大學(xué)合金粉廠生產(chǎn)，基材與涂層成分見表1，真空熔覆時(shí)，溫度及保溫時(shí)間設(shè)置參數(shù)見圖1。試樣制備結(jié)束后，通過(guò)機(jī)械加工方式，進(jìn)行試樣切割，并將涂層面用砂紙打磨拋光，留待測(cè)試用。

圖1 真空熔覆工藝溫度及時(shí)間設(shè)定

選用用金相顯微鏡測(cè)量10 塊2205 不銹鋼涂層試樣的實(shí)際厚度。選用401VS 維氏硬度計(jì)測(cè)試涂層微觀硬度，洛氏硬度計(jì)測(cè)量涂層微觀硬度，并計(jì)算平均值。

表1 基材及涂層元素成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

通過(guò)將硫化鈉固體和稀硫酸反應(yīng)生成的硫化氫氣體通入蒸餾水中制備飽和硫化氫溶液。使用型號(hào)為RST-5200 型電化學(xué)工作站檢測(cè)試樣在飽和硫化氫溶液中的Tafel 極化曲線，設(shè)定參數(shù)如表2 中所示。使用四氧化三鐵溶液腐蝕試樣，在晶相顯微鏡下觀察腐蝕形貌，參考電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果，分析基材及涂層的腐蝕機(jī)理。

表2 電化學(xué)工作站相關(guān)參數(shù)

選用日本理學(xué)株式會(huì)社制造的Smart Lab 型高精度智能轉(zhuǎn)靶X 射線衍射儀分析涂層物相。檢測(cè)時(shí)設(shè)置掃描速度為8°/min，掃描范圍為5°～85°，步進(jìn)角度為0.02。使用401SVA 顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的維氏硬度，施加載荷200g，加載時(shí)長(zhǎng)15s。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 涂層成分分析

圖2 XRD 圖譜分析

根據(jù)圖2 中Ni60A 涂層的XRD 結(jié)果顯示，Ni60A 涂層中檢測(cè)到有FeNi3、γ 相、Cr3C2、Cr23C6，CrB 等相的存在，根據(jù)張帥等[6]人的使用材料學(xué)計(jì)算軟件所得的結(jié)果可知，Ni60A 涂層中可根據(jù)主要成分的不同將成分分為由FeNi3、γ 相組成的基體相，以及由Cr 的碳化物、硼化物組成的硬質(zhì)相以及其他含量較小的雜相。其中，基體相約占總成分的65%以上，而硬質(zhì)相約占30%以上。因真空熔覆保溫時(shí)間長(zhǎng)，涂層中各相能夠充分析，因此，析出相的晶粒普遍偏大。

2.2 硬度分析

涂層厚度與涂層硬度關(guān)系。

球閥球芯涂層在進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，通常以洛氏硬度作為衡量涂層是否合格為標(biāo)準(zhǔn)，但涂層硬度在研究時(shí)通常以維氏硬度作為衡量，通常，涂層厚度是涂層宏觀硬度與微觀硬度的聯(lián)系。本小節(jié)主要對(duì)涂層微觀硬度與宏觀硬度之間的厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各試樣的微觀硬度分別如表3 所示，試樣的宏觀硬度如表4 所示，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3 和圖4所示。

表3 不同厚度涂層微觀硬度檢測(cè)結(jié)果

表4 不同厚度試樣微觀及宏觀硬度檢測(cè)值

圖3 洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果分析

圖4 維氏硬度檢測(cè)結(jié)果分析

圖5 1#試樣維氏硬度檢測(cè)結(jié)果分布

從圖3 中洛氏硬度的測(cè)試結(jié)果中可以看出，Ni60A 涂層的宏觀硬度與涂層厚度有很大關(guān)系，在涂層厚度小于700μm 時(shí)，涂層厚度越小，涂層的洛氏硬度值越低，但當(dāng)涂層厚度高于700μm時(shí)，涂層洛氏硬度檢測(cè)值趨于穩(wěn)定，不再隨涂層厚度變化。洛氏硬度壓頭較大，施加載荷大，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，壓頭對(duì)涂層之間的壓強(qiáng)極大，若涂層較薄，壓頭會(huì)破壞涂層，直接與基材接觸，因此，造成測(cè)試結(jié)果隨涂層厚度變化。在球芯涂層的實(shí)際生產(chǎn)中，球芯在經(jīng)過(guò)噴涂及熔覆工藝后，會(huì)產(chǎn)生變形以及涂層的滑移，磨削后會(huì)出現(xiàn)涂層硬度不均問(wèn)題。本部分研究也可通過(guò)硬度實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)該現(xiàn)象出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解釋。

從圖4 中維氏硬度檢測(cè)結(jié)果可知，Ni60A 涂層微觀硬度從基材熔合線處至涂層端迅速上升，試塊中涂層最薄為286μm，此時(shí)涂層硬度平均值高于750HV0.2，而涂層厚度增加，涂層硬度值趨于穩(wěn)定，保持在750HV0.2左右。涂層厚度對(duì)涂層硬度影響不明顯。Ni60A 涂層維氏硬度測(cè)量值分布范圍變化較大，圖4 所示為1#試樣的硬度測(cè)試值分布圖。不同位置的硬度值分布在500 至1100HV0.2區(qū)間內(nèi)，范圍較大，這是因?yàn)镹i60A 涂層中主要析出相較大，且硬度值也相差較大所導(dǎo)致的，這也是Ni60A 涂層微觀硬度上下波動(dòng)極大的主要原因。

圖6 所示為涂層不同位置所測(cè)的硬度值，使用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量時(shí)，當(dāng)壓頭接觸位置為析出硬質(zhì)相位置時(shí)，測(cè)量值通常及大，圖6（c）中所示位置為硬度計(jì)測(cè)量點(diǎn)位于硬質(zhì)相時(shí)的情況，其測(cè)量點(diǎn)位置硬度為1086HV0.2，而同樣圖6（b）中位置為硬質(zhì)相與基體相之間相鄰的位置，此時(shí)硬度值偏低，為769HV0.2，當(dāng)壓頭測(cè)試位置為基體相以及存在孔隙位置時(shí)，測(cè)量值最低。如圖6（a）所示，壓頭位置不同，涂層的硬度也不同。橫線附近為涂層與基材熔覆時(shí)形成的白亮帶位置，其寬度約為100μm 左右，在該區(qū)域因存在元素?cái)U(kuò)散，因此硬度值低于涂層硬度，圖6（a）點(diǎn)1 處所示，其硬度僅為310HV0.2。

表5 三種材料宏觀硬度

2205 不銹鋼和718 合金的硬度均低于Ni60A，且718 合金的硬度高于2205 不銹鋼，材料的硬度能很大程度上影響材料的耐磨性能，因此，僅從硬度來(lái)講，Ni60A 涂層的制備對(duì)提高718 合金和2205 不銹鋼是非常必要的。

圖6 Ni60A 涂層不同位置硬度測(cè)試結(jié)果

2.3 耐蝕性能分析

2.3.1 Ni60A、2205、718 合金電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果

718 為鎳基高溫合金，具有優(yōu)異的耐蝕性能，圖7 所示為基材及涂層的Tafel 極化曲線，從表6 中試樣的Tafel 極化曲線特征值中可以看出，718 合金在飽和硫化氫溶液中的腐蝕速率與22005 不銹鋼相當(dāng)，分別為2.41mg/m2h 和2.02mg/m2h，而Ni60A涂層的腐蝕速率最高，為7.02mg/m2h。并且，718 合金與Ni60A合金的腐蝕電位分別為-0.141V 和-0.1744V，而2205 不銹鋼在飽和硫化氫溶液中的腐蝕電位為-0.2766V，這主要是有Ni60A 和718 合金中添加了大量的Ni 和Cr 元素，提高了其腐蝕電位較高，因而在腐蝕環(huán)境中更難發(fā)生腐蝕，相較而言，718 合金耐蝕性能最優(yōu)。

表6 三種材料Tafel 極化曲線特征值

2.3.2 基材及涂層腐蝕原理分析

使用腐蝕試劑對(duì)基材及涂層截面進(jìn)行腐蝕，腐蝕后形貌如圖8 中所示。參考三中材料的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果，可知718 合金與2205 不銹鋼在腐蝕介質(zhì)中的主要發(fā)生均勻腐蝕，而Ni60A 涂層中存在明顯的電化學(xué)腐蝕或選擇性腐蝕。圖7 中，基材腐蝕后的形貌較為完整，整體受到腐蝕，而涂層中的基體相（γ 相、FeNi3相）被腐蝕，露出合金中的析出相（Cr3C2、Cr23C7、CrB 等），這是因?yàn)槲龀鱿嗪休^多含量的Cr、C 元素化合物，因而具有優(yōu)異的耐蝕性能[7]。因兩種相所含元素成分不同，其自腐蝕電位也不一樣，在腐蝕介質(zhì)中，電位的差異導(dǎo)致涂層間產(chǎn)生原電池，腐蝕電位低的基體相部分被加速腐蝕，而析出相電位較正，不易被腐蝕，因而保留較完整[8，9]。

圖8（b）中可以看到，718 合金制備的Ni60A 涂層在結(jié)合線附近以及基材處具有不同的腐蝕形貌。在718 基材處，因合金中含有較多的Ni、Cr 元素，因此基材具有優(yōu)異的耐蝕性能，腐蝕介質(zhì)對(duì)基材的腐蝕很小總體為均勻腐蝕，但在冶金結(jié)合線附近，受元素?cái)U(kuò)散作用，基材中的部分元素發(fā)生了從基材相涂層的擴(kuò)散，因而該部分的腐蝕形貌呈塊狀，且越靠近涂層端，合金腐蝕越嚴(yán)重，為明顯的點(diǎn)蝕。圖8（c）中2205 不銹鋼基材也發(fā)生均勻腐蝕，其腐蝕情況與718 基材類似。

圖7 基材與涂層Tafel 極化曲線

圖8 基材及涂層處腐蝕后形貌

3 結(jié)論

（1）涂層微觀硬度不受涂層厚度影響，但宏觀硬度與涂層厚度相關(guān)。Ni60A 涂層中的相主要為基體相和析出的硬質(zhì)相兩種，晶粒較大且硬度相差較大，在微觀硬度檢測(cè)時(shí)維氏硬度值在450HV0.2～1100HV0.2區(qū)間內(nèi)分布，但宏觀硬度較穩(wěn)定。當(dāng)涂層厚度大于700μm 時(shí)，涂層宏觀硬度大于55HRC，熔覆層出白亮帶硬度偏低。

（2）Ni60A 涂層、718 合金、2205 不銹鋼在飽和硫化氫溶液中的腐蝕速率均較低，其中718 合金腐蝕速率與2205 不銹鋼相當(dāng)，Ni60A 腐蝕速率最快，但Ni60A 涂層的腐蝕電位高于2205 不銹鋼，在腐蝕環(huán)境中更不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，可以對(duì)涂層起到很好的保護(hù)作用。

（3）2205 不銹鋼基材適合制備Ni60A 涂層工藝來(lái)提升基材性能，但718 合金制備涂層后，雖然能一定程度上提高涂層的硬度，但會(huì)降低涂層的耐蝕性能。