WC-10Co-4Cr復合涂層和04Cr13Ni5Mo合金堆焊層的泥沙沖蝕行為

趙建華，紀秀林，楊臣，郭文強，馬愛斌

（1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098）

WC-10Co-4Cr復合涂層和04Cr13Ni5Mo合金堆焊層的泥沙沖蝕行為

趙建華1，紀秀林1，楊臣1，郭文強1，馬愛斌2,*

（1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098）

采用超音速火焰噴涂和焊條電弧焊在Q345鋼基體表面分別制備了WC-10Co-4Cr復合涂層和04Cr13Ni5Mo合金堆焊層，測量了2種涂層的顯微硬度、孔隙率、斷裂韌性和表面粗糙度，并對2種涂層的顯微組織和耐泥沙沖蝕磨損性能進行了對比研究。結果表明，二者的體積沖蝕磨損率均隨時間延長而增加。在低角度沖蝕磨損條件下，復合涂層的耐泥沙沖蝕磨損性能明顯優(yōu)于堆焊層，涂層的硬度和強度是耐泥沙沖蝕磨損的主要影響因素。在高角度沖蝕磨損條件下，2種涂層的耐泥沙沖蝕磨損性能相差不大，涂層的斷裂韌性是主要影響因素。WC-10Co-4Cr復合涂層表現(xiàn)出偏脆性材料的沖蝕磨損特性，04Cr13Ni5Mo堆焊層則表現(xiàn)出典型塑性材料的沖蝕磨損特性。

鋼；涂層；超音速火焰噴涂；堆焊；沖蝕磨損；硬度；斷裂韌性

First-author’s address:School of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China

我國水力資源十分豐富，但多數(shù)河流中含有大量泥沙，會造成水電站水輪機葉片等過流部件嚴重的沖蝕磨損[1-2]。在水輪機材料中，早期使用的碳鋼和低合金鋼抗沖蝕、氣蝕以及腐蝕的能力都較差。作為常用的硬面技術，超音速火焰噴涂(HVAF)和堆焊在水力機械過流部件上有很好的應用前景。許多學者研究了WC-Co涂層的制備工藝及工藝參數(shù)對其磨粒磨損、滑動磨損性能的影響。梁文軍等[3]研究了粘結劑對超音速火焰噴涂 WC涂層磨粒磨損性能的影響，指出鎳、鈷粘結劑制備的涂層均有較高的顯微硬度，磨損形式主要為均勻磨耗磨損。王群等[4]研究了超音速火焰噴涂WC-Co涂層的磨粒磨損行為，指出當磨粒的硬度低于涂層硬度時，涂層的磨損機制以磨耗磨損為主，磨損率低；當磨粒的硬度超過涂層硬度時，涂層的磨損機制以微切削為主，磨損率高。實踐證明超音速火焰噴涂WC涂層具有較好的抗泥沙沖蝕磨損作用[5-6]，但關于超音速噴涂和堆焊這2種硬面技術在過流部件表面強化的對比研究較少。本文以超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層和04Cr13Ni5Mo焊條堆焊層為研究對象，比較了它們的耐泥沙沖蝕磨損性能，探討了2種硬面技術所制涂層的特性。

1 實驗

1. 1 涂層的制備

1. 1. 1 WC-10Co-4C復合涂層

噴涂粉末是H.C. Stack公司生產的粒徑5 ～ 30 μm的WC-10Co-4Cr團聚燒結粉末。采用美國Kermetico Inc.，的AcuKote噴涂系統(tǒng)進行超音速火焰噴涂，噴槍AK07，機械手噴涂?；臑镼345鋼材，噴涂前先用丙酮清洗表面，然后進行噴砂粗化處理以提高涂層與基體的結合強度。優(yōu)化后的噴涂工藝參數(shù)為：燃料氣體丙烷壓力0.49 MPa，空氣壓力0.53 MPa，氮氣流量21 L/min，送粉量61 g/min，噴涂距離215 mm。所得涂層的平均厚度為265 μm。

1. 1. 2 04Cr13Ni5Mo堆焊合金層

堆焊材料為水力機械修復常用的04Cr13Ni5Mo堆焊焊條，直徑4 mm，主要化學成分(質量分數(shù))為：C ≤0.05%，Cr 12.00% ～ 14.00%，Ni 4.50% ～ 5.50%，Mo ≤1.50%，余量為Fe。因04Cr13Ni5Mo堆焊焊條與Cr13Ni5焊條的化學成分相似，故堆焊工藝相同，具體堆焊方法及工藝參數(shù)參見文獻[7]。

1. 2 表征與性能測試

利用線切割設備分別將超音速涂層和堆焊層加工成15 mm × 10 mm × 10 mm的試樣。

1. 2. 1 微觀結構和物理性能

使用上海泰明光學儀器有限公司的HXD-1000TC型數(shù)字顯微硬度儀測量涂層的顯微硬度，載荷300 g(2.94 N)，加載時間15 s。采用北京時代公司TR200型手持粗糙度儀測量涂層的粗糙度。采用日本JEOL公司的JSM-6510型掃描電鏡(SEM)觀察噴涂層的微觀組織。采用南京江南永新光學有限公司的XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察堆焊層的金相組織。

1. 2. 2 斷裂韌性

將涂層的截面拋磨光亮，使用德國Wolpert-430SVD型數(shù)顯維氏硬度計測量涂層的顯微硬度HV。按式(1)計算其斷裂韌性Kc。其中，a為壓痕對角線平均長度，m；c表示尖角處裂紋平均長度，m。

1. 2. 3 沖蝕性能

在自制的射流式沖蝕磨損試驗機上進行泥沙沖蝕實驗。砂粒采用26 ～ 50目不規(guī)則多角形長江口自篩石英砂。砂粒被水流裹挾著加速沖蝕試樣表面，水流流速(即沖蝕速率)為(12.8 ± 0.2) m/s，含砂量(質量分數(shù))為15% ± 1%。沖蝕試樣面積為10 mm × 10 mm，沖蝕時間為3 h，每30 min進行一次稱重。調整沖蝕角度分別為15°、30°、45°、60°和90°，每個角度重復3次試驗以減少誤差。為消除表面粗糙度的影響，先用600#砂紙打磨試樣，再在超聲波清洗器中用酒精清洗，干燥后在精度為0.1 mg的分析天平上稱量，即得試樣的原始質量m0(單位為g)。為便于比較，用體積沖蝕磨損率(簡稱沖蝕磨損率)ΔV(單位mm3)來反映試樣的抗沖蝕磨損性能。

其中，ρ為實驗材料的密度，復合涂層和堆焊層的密度分別取12.50 g/cm3和7.76 g/cm3；m1為沖蝕磨損試驗后試樣的質量，g。

2 結果與討論

2. 1 涂層的微觀結構和物理性能

圖1為WC-10Co-4Cr涂層斷面的掃描電鏡照片，可見用超音速噴涂工藝制備的涂層致密，無明顯分層、裂紋、較大的孔洞等缺陷存在?；w表面各凹凸部位與涂層緊密結合。由于噴涂速率快(超過700 m/s)，顆粒與基體碰撞過程中變形充分，組織致密。圖2為04Cr13Ni5Mo堆焊合金最外層的金相照片?？梢娖滹@微組織主要為黑色板條馬氏體、白色殘余奧氏體和少量碳化物。2種涂層的物理性能列于表1。由表1可知，復合涂層的孔隙率較低，這是因為HVAF工藝通過拉法爾噴嘴將熔融粉末粒子的速率提高到超音速，沉積時對基材的撞擊作用強，粒子變形，有利于相互間結合，提高了涂層的內聚強度，所以獲得孔隙率較低的硬質涂層。WC-10Co-4Cr涂層的顯微硬度約是堆焊層的2.5倍，與河沙(主要成分為SiO2，硬度1 200 HV)接近。

圖1 WC-10Co-4Cr涂層的截面形貌Figure 1 Cross-sectional morphology of WC-10Co-4Cr coating

圖2 04Cr13Ni5Mo堆焊層的顯微組織結構Figure 2 Microstructure of 04Cr13Ni5Mo hardfacing layer

表1 2種涂層的物理性能Table 1 Physical properties of two coatings

2. 2 涂層的耐泥沙沖蝕性能

2. 2. 1 沖蝕時間的影響

圖3顯示了2種涂層在沖蝕角分別為30°和90°時沖蝕磨損率與沖蝕時間的關系。由圖3可知，在相同條件下，二者的沖蝕磨損率均隨時間延長而增大，只是增加的幅度不同。在30°沖蝕角下，WC-10Co-4Cr涂層的耐泥沙沖蝕磨損性能遠好于 04Cr13Ni5Mo堆焊層，其沖蝕磨損率隨時間線性增加，沒有明顯的潛伏期。04Cr13Ni5Mo堆焊層在 1.5 h前沖蝕磨損率較小，處于孕育期；之后進入穩(wěn)定沖蝕階段。在 90°沖蝕角下，WC-10Co-4Cr涂層的耐泥沙沖蝕性能在前2.5 h仍好于04Cr13Ni5Mo堆焊層，但優(yōu)勢并不明顯；之后二者耐磨性能相當。它們在不同沖蝕角下耐泥沙沖蝕磨損性能不同，表明在這兩個沖蝕角下涂層的沖蝕磨損機理有所不同。

圖3 不同沖蝕角度下沖蝕時間對涂層沖蝕磨損性能的影響Figure 3 Effect of erosion time on erosion properties of the coatings at different impact angles

2. 2. 2 沖蝕角度的影響

不同沖蝕角度對2種涂層累計沖蝕體積失重的影響見圖4。從圖4可見，WC-10Co-4Cr涂層的沖蝕磨損率隨著攻角增大呈上升趨勢，在60° ～ 90°之間最大，呈現(xiàn)偏脆性材料的沖蝕特征[8]。在30°時，04Cr13Ni5Mo堆焊層的沖蝕磨損率達到最大，然后隨沖蝕角度增加反而減小，呈現(xiàn)典型塑性材料的沖蝕特征[9]。

圖4 沖蝕角度對涂層耐沖蝕磨損性能的影響Figure 4 Effect of impact angle on erosion resistance of the coatings

2. 3 沖蝕表面的顯微硬度

表2對比了沖蝕試驗前后2種涂層表面硬度的變化。從表2可見，堆焊層的表面硬度在沖蝕實驗后有較大提高，且在高沖蝕角度條件下升高更為明顯。復合涂層在沖蝕試驗后硬度略有增加，但增幅不大。試樣表面硬度增加可能是在沖蝕過程中受砂粒沖擊作用發(fā)生塑性變形，從而產生加工硬化所致；也有可能是應力誘導相變所致。這需要通過分析X射線衍射譜查看試樣表面的物相是否發(fā)生了變化。

表2 涂層沖蝕前后的表面硬度Table 2 Vickers hardness of the coatings before and after slurry erosion

材料表面硬度的增加對其沖蝕磨損性能有顯著影響，加工硬化率高的材料具有良好的耐沖蝕磨損性能[10]。04Cr13Ni5Mo堆焊層的表面硬度變化較大，這也可能是其在高沖蝕角度下耐沖蝕磨損性能較好的原因之一。

3 磨損機制探討

涂層的泥沙沖蝕磨損是由于液體中含有的硬質第二相固體顆粒沖擊涂層表面而引起的材料流失。Bitter[11]認為，反復沖擊可產生加工硬化，并提高材料的彈性極限，直到應力超過材料的強度，形成裂紋。他從能量平衡的觀點出發(fā)，推導出總磨損量W為變形磨損量WD和切削磨損量WC之和，即W = WD+ Wc。泥沙沖蝕磨損過程中，含砂水流對涂層表面的作用主要表現(xiàn)為犁削和錘擊兩個方面，而涂層的主要失效行為表現(xiàn)為微切削和層片狀涂層組織的疲勞剝落。

在低沖蝕角度下涂層的主要磨損機制為微切削和犁溝，影響磨損最重要的因素是涂層的顯微硬度和強度[12]。涂層的硬度和強度越高，抵抗微切削和犁溝的能力就越強。WC-10Co-4Cr涂層是由高硬度顆粒(WC)和高韌性粘結相(Co、Cr)構成的復合體系，且Cr的加入顯著提高了WC顆粒與Co粘結相的結合。由于與粘結相結合牢固，高硬度WC顆粒保持相對突出的狀態(tài)，抵抗砂粒的切削作用，同時硬質相在粘結相中的釘扎效應也更為明顯，硬質相和粘結相的協(xié)同效應使WC-10Co-4Cr涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。在高沖蝕角度下，含砂水流對涂層表面的作用主要表現(xiàn)為錘擊，此時涂層的主要失效形式為疲勞剝落，彈性模量和斷裂韌性成為沖蝕磨損的控制因素[13]。涂層的彈性模量越高，就越能以彈性變形吸收沖蝕粒子的能量而不引起塑性變形和材料流失。涂層的斷裂韌性越好，涂層在斷裂破壞時就能吸收更多的能量，同樣的沖擊載荷下引起的材料流失就會減少。由于噴涂涂層的層狀結構和涂層間界面呈現(xiàn)較弱的機械結合特征，以及片層間存在氧化夾雜和孔洞等缺陷，一方面容易形成應力集中，另一方面涂層的結合強度遠小于涂層偏平狀粒子本身的斷裂強度。因此，在大量粒子連續(xù)沖擊下，不僅容易誘發(fā)裂紋，而且裂紋沿涂層內部的亞表面或界面快速向里擴展，當裂紋擴展與另一裂紋相遇時，即造成涂層的片狀剝落。04Cr13Ni5Mo堆焊合金中位錯的滑移系統(tǒng)比WC-10Co-4Cr復合涂層多，因此韌性更好，可以有效防止疲勞裂紋的產生和擴展[14]。綜上所述，雖然復合涂層比合金堆焊層硬度高，但其層狀結構和較低的斷裂韌性使其高沖蝕角度下的耐沖蝕磨損性能大大降低。

4 結論

(1) 在文中實驗范圍內，WC-10Co-4Cr涂層和04Cr13Ni5Mo堆焊層的泥沙沖蝕失重均隨沖蝕時間延長而增加。WC-10Co-4Cr涂層沒有明顯的孕育期，表現(xiàn)出偏脆性材料的沖蝕磨損特性。04Cr13Ni5Mo堆焊層表現(xiàn)出典型塑性材料的沖蝕磨損特性。

(2) 在低角度沖蝕磨損條件下，WC-10Co-4Cr涂層表現(xiàn)出優(yōu)于04Cr13Ni5Mo堆焊層的耐泥沙沖蝕磨損性能，涂層硬度和強度是耐泥沙沖蝕磨損的主要影響因素；在高角度沖蝕磨損條件下，WC-10Co-4Cr涂層的耐泥沙沖蝕性能優(yōu)勢不明顯，涂層組織的斷裂韌性是主要影響因素。

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[ 編輯：杜娟娟 ]

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Slurry erosion behavior of WC-10Co-4Cr composite coating and 04Cr13Ni5Mo alloy hardfacing layer

// ZHAO Jian-hua, JI Xiu-lin, YANG Chen, GUO Wen-qiang, MA Ai-bin*

WC-10Co-4Cr composite coating and 04Cr13Ni5Mo alloy surfacing layer were deposited on Q345 steel substrates by high-velocity oxygen fuel spraying and shielded metal arc welding, respectively. The microhardness, porosity, fracture toughness and surface roughness of the two coatings were measured, and their microstructure and slurry erosion resistance were studied and compared experimentally. The results showed that the volume erosion rate of both coatings are increased with the extending of erosion time. Under the condition of erosive wear at small impact angle, the composite coating has evidently better slurry erosion resistance than the hardfacing layer, and the main factors affecting the slurry erosion resistance of the coatings are their hardness and strength. While at large impact angle, both coatings show slight difference in slurry erosion resistance and the fracture toughness of a coating is the main affecting factor. WC-10Co-4Cr composite coating exhibits the characteristics of a brittle material, while 04Cr13Ni5Mo hardfacing layer exhibits the characteristics of a ductile material during erosion process.

steel; coating; high-velocity oxygen fuel spraying; hardfacing; erosion wear; hardness; fracture toughness

TH117

A

1004 - 227X (2016) 18 - 0985 - 05

2016-04-23

2016-05-25

2015年江蘇省大學生創(chuàng)新訓練項目（201510294045X）。

趙建華（1978-），男，四川閬中人，在讀博士研究生，目前主要從事表面處理及磨損性能研究。

馬愛斌，教授，(E-mail) aibin-ma@hhu.edu.cn。