超音速火焰噴涂哈氏合金C-276涂層的顯微結(jié)構(gòu)與性能

黃 科,鄧運來,劉 敏,鄧春明,宋進兵

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410083;2.廣州有色金屬研究院,廣東 廣州 510650)

超音速火焰噴涂哈氏合金C-276涂層的顯微結(jié)構(gòu)與性能

黃 科1,2,鄧運來1,劉 敏2,鄧春明2,宋進兵2

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410083;2.廣州有色金屬研究院,廣東 廣州 510650)

采用超音速火焰噴涂工藝制備了C-276哈氏合金涂層,同時對涂層的顯微結(jié)構(gòu)、顯微硬度及耐磨性進行了研究.結(jié)果表明:涂層為層狀結(jié)構(gòu)且致密,與基體結(jié)合牢固;涂層與C-276合金粉末均以面心立方的γ相Ni-Cr-Co-Mo合金為主晶相,保持了噴涂粉末材料的性能,但噴涂過程中產(chǎn)生的氧化物與氣孔影響了涂層的硬度及耐磨性.

C-276合金涂層;超音速火焰噴涂;顯微結(jié)構(gòu);性能

哈氏合金(HASTELLOY alloys)由美國漢斯國際公司研制開發(fā)的,是世界公認(rèn)的頂級抗腐蝕合金,其廣泛使用于需要穩(wěn)定性、安全性及減少維護成本的各種設(shè)備的關(guān)鍵性部件中,如金屬酸洗設(shè)備、煙氣脫硫凈氣器及核燃料再處理、垃圾焚燒等設(shè)備.其中C-276哈氏合金具有高強度、高硬度、良好延展特性的鎳-鉻-鉬固溶體合金,又由于鉻、鉬、鎢或鈮的含量較高,以及合金化程度較高,因此具有很強的耐點蝕性能及點蝕臨界溫度高等特性[1],適合在氧化性與還原性之間波動的混合溶液環(huán)境中使用,尤其適用于混入了 Fe3+及 Cu2+等強氧化性離子的鹽酸、硫酸溶液的環(huán)境中.然而,C-276哈氏合金塊材較貴,加工難度較大,因此限制了其應(yīng)用.

熱噴涂技術(shù)是將涂層材料送入熱源中熔化,并利用高速氣流將其噴射到基體材料表面而形成覆蓋層的一種工藝[2],其中超音速火焰噴涂工藝制備的涂層與基體結(jié)合強度高、涂層致密、涂層的殘余應(yīng)力小及孔隙率小于1%,而且可噴涂厚涂層,近年來已廣泛地應(yīng)用于材料表面防護與強化等領(lǐng)域中.本文采用超音速火焰噴涂工藝快速制備C-276哈氏合金涂層,且對涂層的顯微結(jié)構(gòu)及性能進行了研究.

1 試驗方法與表征

1.1 試 樣

以316L作為基體,其尺寸為100 mm×60 mm×3 mm.先將基體超聲除油,然后用25號剛玉砂于0.4 MPa壓力下進行噴砂處理,獲得粗糙度Ra為3～5μm的粗化表面,以備噴涂.

1.2 方 法

噴涂所用的粉末為日本Fujimi公司生產(chǎn)的C-276哈氏合金粉末,采用真空霧化工藝制備所得,呈球狀,粒徑為20～53μm,其化學(xué)成分列于表1,圖1為該粉末的顯微形貌.用德國 GTV公司生產(chǎn)的氧氣助燃超音速火焰噴涂(HVOF)設(shè)備,在316L基體上制備C-276哈氏合金涂層,涂層厚度為500～600μm,噴涂工藝的參數(shù)列于表2.

表1 C-276合金粉末的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition for Hastelloy C-276 powder

表2 超音速火焰噴涂工藝參數(shù)Table 2 Parameters for HVOF process

圖1 C-276合金粉末形貌Fig.1 Morphology for Hastelloy C-276 powder

1.3 表 征

采用線切割法將所制備的涂層試樣加工成所需要的尺寸,以進行涂層性能檢測.用JL-SM5910型帶能譜儀掃描電鏡,對涂層的顯微結(jié)構(gòu)進行分析;用LeiCa DMIMR金相顯微鏡及自帶的圖像分析系統(tǒng),測量涂層的孔隙率;用D/Max-RC型 X射線衍射儀對粉末及涂層的相組成進行分析;用VDMH-5型顯微硬度計測試涂層的顯微硬度,其中載荷為2.94 N,加載停留時間為15 s;用日本產(chǎn)Suga儀測試涂層的耐磨性,其中涂層試樣的對磨件為100號 SiC砂紙,載荷為294 N,每組測試共反復(fù)磨400個來回[3].

2 結(jié)果及討論

2.1 涂層的顯微結(jié)構(gòu)

圖2為超音速火焰噴涂C-276哈氏合金涂層縱、橫剖面形貌.從圖2(a)可見,涂層為層狀結(jié)構(gòu)且較為致密,經(jīng)金相圖像分析儀測定涂層的孔隙率約為0.8%.從圖2(b)可見:涂層中有明顯的未熔顆粒(圖中箭頭所示),這是由于所噴涂粉末粒徑較大,焰流溫度及粉末的動能不足以使大粒徑的C-276粉末充分熔融[4],但未熔粉末與四周涂層結(jié)合較好,沒有明顯地影響涂層的致密度;涂層層間發(fā)現(xiàn)有明顯的氧化帶,氧化帶產(chǎn)生的主要原因是熔融的C-276粉末顆粒流動性及潤濕性較差,在噴涂過程中與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)所生成的表面氧化物(主要成分為Cr2O3)以及微小氣泡隨熔融粉末流動,在凝固時鋪展而成[5].雖然氧化帶可提高涂層的抗氧化性能,但是同時也降低了涂層內(nèi)粒子之間的結(jié)合強度[6-7].

圖3為C-276合金涂層與基體的剖面形貌.從圖3可見,涂層與基體有著良好的結(jié)合,表明涂層的結(jié)合強度較高.

圖2 C-276合金涂層剖面形貌(a)縱剖面;(b)經(jīng)腐蝕后的橫剖面Fig.2 Cross-sectional images for Hastelloy C-276 coating(a)longitudinal section;(b)the corrosion of the cross section

圖3 C-276合金涂層與基體的剖面形貌Fig.3 Cross-sectional images for Hastelloy C-276 coating and substrate

2.2 涂層的相分析

圖4為C-276合金粉末涂層的X射線衍射圖譜.從圖4可見,所制備的C-276合金涂層及粉末均為面心立方的γ相Ni-Cr-Co-Mo合金.這表明,超音速火焰溫度沒有明顯地改變粉末的相組成.由于單相面心立方晶格結(jié)構(gòu)的鎳基合金具有很好的抗腐蝕性能,其中固溶的Cr,W及Mo等元素能增加原子間結(jié)合力產(chǎn)生的點陣畸變,降低堆垛層錯能,使再結(jié)晶溫度提高,因此高溫時也能保持良好的熱穩(wěn)定性[8-9].

圖4 C-276粉末和涂層的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns for Hastelloy C-276 powder and coating

2.3 涂層的顯微硬度與耐磨性

涂層的硬度是表征涂層耐磨性的指標(biāo)之一.經(jīng)顯微硬度計的測試,C-276合金涂層的平均顯微硬度為630Hv,而316L基體的硬度為250Hv.由此可知,涂層的硬度明顯比基體高.將C-276涂層試樣和316L基體試樣在日制Suga砂紙摩擦磨損試驗機上測試,經(jīng)過三組測試,每組試樣分別被砂紙打磨400次、800次及1200次,圖5為C-276合金涂層和3l6L基體的磨損結(jié)果.從圖5可見,隨著磨損次數(shù)的增加,涂層磨損量基本穩(wěn)定,由于涂層未經(jīng)過處理,強度不高.因此,可認(rèn)為未經(jīng)處理后的 C-276涂層的耐磨性比316L基體差些.

圖5 C-276合金涂層與3l6L基體的磨損結(jié)果Fig.5 Weight loss for Hastelloy C-276 coating and 316L

3 結(jié) 論

可采用超音速火焰噴涂工藝快速制備C-276哈氏合金涂層,所制備的涂層非常致密,并與基體結(jié)合牢固,涂層層間存在氧化帶;C-276合金粉末經(jīng)噴涂后沒有發(fā)生明顯的相變,粉末與涂層均以γ相Ni-Cr-Co-Mo合金為主晶相;所制備涂層的顯微硬度比316L基體高,未經(jīng)處理后的C-276涂層的耐磨性比316L基體差些.

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Microstructure and properties of HVOF sprayed H astelloy C-276 coating

HUANG Ke1,2,DENG Yun-lai1,LIU Min2,DENG Chun-ming2,SONGJin-bing2
(1.Materials Science and Engineering Institution,Center South University,Changsha410083,China;2.Guangzhou Research Institute of Nonf errous Metals,Guangzhou510651,China)

A Hastelloy C-276 coating was prepared by HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)process,and the microstructure,microhardness and wear resistance of the coating were demonstrated.The results revealed that the coating was layered and dense,firmly bonded to the substrate,the main crystalline phases of the coating and Hastelloy C-276 powder were both face-centered cubicγphase structured Ni-Cr-Co-Mo alloy.The phase of coating remained to be consistent with that of spray powder.Nevertheless,the oxide and porosity generated during the spray process affected the hardness and wear resistance of the coating.

C-276 coating;HVOF;microstructure;property

TG113.2

A

1673-9981(2010)03-0207-04

2010-05-07

黃科(1977—),男,廣東博羅人,工程師,學(xué)士.