超音速火焰噴涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂層耐沖蝕性能研究

楊思澤

（沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)股份有限公司）

超音速火焰噴涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂層耐沖蝕性能研究

楊思澤

（沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)股份有限公司）

采用超音速火焰噴涂技術(shù)，在15Cr2Mo合金鋼上制備了Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂層。測定了涂層的顯微組織、結(jié)合力、顯微硬度、孔隙率。研究了涂層耐固體顆粒沖蝕性能。結(jié)果表明，Cr3C2/ NiCr涂層在結(jié)合力、顯微硬度和孔隙率方面均優(yōu)于其他涂層。同時，Cr3C2/NiCr耐固體顆粒沖刷性能最好，其沖蝕試驗失重量僅為基體15Cr2Mo的20%左右。Cr3C2/NiCr涂層顯微組織中，高硬度的碳化物Cr3C2陶瓷相以多邊形彌散分布在較軟的基體NiCr合金相上。固體顆粒沖刷試驗后，Cr3C2/NiCr涂層表面磨痕比較明顯，但是沒有發(fā)生明顯的涂層分層剝落現(xiàn)象。優(yōu)異的微觀結(jié)構(gòu)、細(xì)小的硬質(zhì)顆粒以及較低的孔隙率等因素對涂層耐沖蝕性的顯著提高起著關(guān)鍵作用。Cr3C2/NiCr涂層應(yīng)用于沖蝕磨損環(huán)境，可有效提高部件壽命。

超音速火焰噴涂；Cr3C2/NiCr；Stellite6；Inconel625；Inconel718；耐顆粒沖蝕性

0 引言

超音速火焰噴涂(High Velocity Oxygen Fuel,HVOF）焰流溫度較低（3 000℃左右）速度高（可達(dá)2 000m/s），噴涂粒子可獲得更大動能，形成的涂層致密，氧化物含量低，結(jié)合強度高，在噴涂金屬碳化物和金屬合金等材料方面顯現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用，特別適用于噴涂Cr3C2/NiCr等易受熱分解的碳化物金屬陶瓷材料和Stellite6等高合金材料[1-3]。目前，Cr3C2/NiCr等碳化物金屬陶瓷已廣泛應(yīng)用于制造耐磨涂層以提高零部件的使用壽命，在機械、冶金等行業(yè)中的有著廣泛的應(yīng)用前景，如高速軸類零件、泵類密封件、柱塞件、軋輥等工件表面都需要高耐磨性的材料[4-6]。Stellite6、Inconel625、Inconel718由于在高溫下具有良好的穩(wěn)定性，并具有良好的耐腐蝕和耐磨損性能，在超音速火焰噴涂涂層領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

我公司壓縮機產(chǎn)品應(yīng)用于石化領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于油氣田上游和煤化工類的產(chǎn)品，面臨腐蝕和沖蝕類工況較多，需要對通流部件進(jìn)行表面防護(hù)[7-9]。本工作研究超音速火焰噴涂Cr3C2/NiCr、Inconel625、Inconel718和Stellite6四種涂層的基本力學(xué)性能，耐固體顆粒沖蝕性能，為超音速火焰噴涂工藝的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

金屬陶瓷碳化物粉末Cr3C2/NiCr，其成分為75% Cr3C2和25%NiCr，NiCr中Ni含量為80%、Cr含量為20%，粉末顆粒粒徑范圍為-45μm/+15μm，采用團(tuán)聚和燒結(jié)技術(shù)制造；鈷基高溫合金粉末Stellite6，鎳基合金粉末Inconel718、Inconel625均采用氣體霧化球化技術(shù)制造，粉末顆粒粒徑范圍均為-45μm/+11μm。

熱噴涂基體材料為合金鋼15Cr2Mo，涂層結(jié)合強度依據(jù)ASTM C633熱噴涂涂層結(jié)合強度標(biāo)準(zhǔn)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，在Φ25×6mm的試樣上噴涂厚度大于0.38mm的涂層，用專門測試涂層結(jié)合力的膠片粘接到標(biāo)準(zhǔn)工裝上，然后180℃加熱使粘接充分牢固，每種涂層噴涂5個試樣進(jìn)行測試。采用顯微硬度計進(jìn)行涂層顯微硬度測量，壓力200g，在每個涂層面取5個點進(jìn)行測試，取其平均值作為其硬度值。涂層顯微組織形貌分析采用Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡、VK-X100 3D激光掃描顯微鏡和ZEISS EVO-18掃描電子顯微鏡進(jìn)行。依據(jù)光學(xué)顯微鏡獲取的金相照片，采用Image J圖像處理軟件，通過計算空隙區(qū)域面積法來測量涂層孔隙率，不同區(qū)域測量5次，取平均值。

噴涂設(shè)備采用進(jìn)口的JP-5000型超音速火焰噴涂設(shè)備，噴涂時燃料為航空煤油，氧氣為助燃?xì)猓鶕?jù)四種不同粉末特點，選擇合適的噴涂參數(shù)。

沖蝕試驗按照ASTM-G76采用氣體射流加速固體顆粒法測試材料耐沖蝕性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)行，沖蝕試驗示意圖如圖1所示，模擬透平壓縮機工況，采用高壓氣體+固體顆粒作為介質(zhì)，進(jìn)行顆粒沖刷試驗。在沖蝕角15°，固體顆粒介質(zhì)選用SiO2（粒徑40μm）、噴出氣體壓強為0.14MPa沖蝕磨損3次，前兩次每次時間5 min，第三次10min，最后為了更加明顯測試涂層耐沖蝕性能，調(diào)大試驗參數(shù)，沖蝕角15°、固體顆粒介質(zhì)選用SiO2（粒徑120μm）、噴出氣體壓強為0.34MPa，沖蝕磨損10min。選擇15°這種低入射角目的在于模仿工況中粉塵等固體雜質(zhì)與壓縮機葉輪內(nèi)流道相互作用的關(guān)系。每次沖蝕磨損完成后試樣超聲波清洗、烘干、稱重，進(jìn)而獲得每次沖蝕實驗失重量，同時拍攝沖蝕試驗后試片的顯微照片。

圖1 氣體沖蝕試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas erosion test

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 涂層顯微組織及基本性能

圖2為四種涂層橫截面形貌，四種涂層均呈明顯的層狀結(jié)構(gòu)，涂層與基體結(jié)合緊密，結(jié)合界面無空隙和缺陷，涂層組織致密，無明顯裂紋和缺陷，空隙極少。

2.2 涂層基本性能

圖3為各涂層結(jié)合強度，從結(jié)果可以看出，結(jié)合力最高的是Cr3C2/NiCr，達(dá)到75MPa，其次是Stellite 6，Inconel 718和Inconel 625。涂層拉伸試驗后，試樣四種涂層斷裂位置均發(fā)生在涂層與基體結(jié)合處，而且涂層與基體均發(fā)生完整剝落，這說明實驗數(shù)據(jù)反映涂層與基體的真實結(jié)合強度。圖4為各涂層及基體合金鋼顯微硬度值，金屬陶瓷涂層Cr3C2/NiCr硬度最高，達(dá)到了HV0.2kg950.6，其余依次為Stellite6、Inconel718、Inconel625和基體15Cr2Mo。

圖3 涂層結(jié)合強度Fig.3 Bonding strength of the coatings

圖4 涂層顯微硬度Fig.4 Micro-hardness of the coatings

涂層孔隙率結(jié)果如表1所示，由結(jié)果可以看出，四種涂層孔隙率均較低，可以有效防止氣體和液體滲入涂層內(nèi)部。綜合對比四種涂層基本性能，Cr3C2/NiCr涂層表現(xiàn)最優(yōu)異。

表1 涂層孔隙率表Tab.1 Porosity of the coatings

2.3 涂層沖蝕磨損實驗結(jié)果與分析

圖5為四種涂層和基體材料在不同參數(shù)，經(jīng)過不同沖蝕時間后，測得的失重量。由圖5可以看出，在沖蝕時間分別為5min、10min、20min和30min時，四種涂層失重量均優(yōu)于基體合金鋼15Cr2Mo，其中Cr3C2/NiCr耐沖蝕性最好，其失重量僅為基體合金鋼15Cr2Mo的20%，其它三種涂層耐沖蝕性依次為Stellite6>Inconel718> Inconel625，但是這三種涂層失重量相差不大，其失重量為基體合金鋼15Cr2Mo的40%左右。涂層沖蝕磨損曲線隨時間變化比較平緩，失重隨時間變化增加比較緩慢，而基體的沖蝕磨損失重隨著時間增加變化很大，沖蝕磨損隨時間的增加越來越劇烈。根據(jù)圖5曲線可以看出，四種涂層中Cr3C2/NiCr耐顆粒沖蝕性能表現(xiàn)最優(yōu)異，結(jié)合涂層基本性能對比結(jié)果，可見Cr3C2/NiCr涂層在四種涂層中具有最優(yōu)良的性能表現(xiàn)。

圖5 涂層和基體材料沖蝕實驗失重量Fig.5 Mass loss of the coatings during the erosion test

2.4 Cr3C2/NiCr涂層深入分析

采用掃描電子顯微鏡成像，對涂層進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)分析，如圖6所示，圖6a為合金鋼上噴涂Cr3C2/NiCr涂層橫截面顯微組織，圖6b為圖6a中Cr3C2/NiCr涂層局部區(qū)域放大圖。微觀組織分析顯示涂層中有兩種不同的相，其中涂層中顏色較淺的區(qū)域為鎳鉻合金相，其作為較軟的基體，一方面可以保證涂層與基體的高結(jié)合力，同時具有一定塑韌性，使得涂層不會太脆。顏色較深為金屬碳化物碳化鉻陶瓷相，碳化鉻陶瓷相硬度非常高，以近似圓形或者多邊形彌散分布在較軟的合金相上，碳化鉻陶瓷相保證了涂層具有高的硬度和優(yōu)異的耐磨損、耐沖蝕性能。這樣較軟合金相基體上彌散分布碳化物陶瓷硬質(zhì)相的復(fù)合顯微結(jié)構(gòu)，類似于顆粒強化的復(fù)合材料，結(jié)合了兩種相的優(yōu)勢，從根本上決定了Cr3C2/NiCr涂層在機械性能、耐磨性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖6 掃描電鏡下Cr3C2/NiCr背散射電子顯微形貌圖Fig.6 BSEI micrograph showing cross-section morphology of HVOF sprayed 75Cr3C2-25NiCr coating

圖7為Cr3C2/NiCr涂層經(jīng)過四次固體顆粒沖刷實驗后的表面形貌，其中（a）圖為沖蝕實驗后試片宏觀形貌圖，（b）圖為涂層沖蝕試驗后表面局部放大圖。從兩圖可以看出涂層表面磨痕比較明顯，但是沒有發(fā)生明顯的涂層分層剝落現(xiàn)象，該現(xiàn)象說明Cr3C2/NiCr涂層從基體上是逐層剝落的，并且與基體保持著良好的結(jié)合力。

圖7 Cr3C2/NiCr涂層沖蝕試驗后表面形貌圖Fig.7 Morphology of Cr3C2/NiCr coating after erosion test

涂層表面受到固體顆粒的作用主要是沖擊和切削，固體顆粒對涂層的反復(fù)沖擊會使涂層表面產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，疲勞應(yīng)力使得涂層產(chǎn)生微觀的裂紋，隨著不斷的沖擊，微小的裂紋會長大、擴展并連接，最終在涂層上形成較大的裂紋，從而導(dǎo)致涂層剝落(見圖7(b））。超音速火焰噴涂工藝形成的涂層呈層狀分布，因此涂層與基體以及各層之間的結(jié)合力對涂層的抗固體顆粒沖刷性能影響較大，從涂層顯微組織分析可以看出，NiCr合金相分布均勻，這有助于涂層韌性提高，進(jìn)而提高涂層與基體結(jié)合力。同時由于超音速噴涂過程中產(chǎn)生了大量的細(xì)晶粒邊界，可以阻礙微觀裂紋生長，防止較大裂紋的形成，從而提高涂層韌性及塑性。

陶瓷相金屬碳化物Cr3C2硬質(zhì)顆粒彌散分布在合金相基體上，大大提高了涂層硬度，對涂層起到強化作用，有效減弱泥沙顆粒對涂層的切削。但是如果涂層中的硬質(zhì)顆粒過大，過大的Cr3C2硬質(zhì)顆粒在固體顆粒沖擊下容易脫離基體而剝落，而這些剝落的大的Cr3C2顆粒會加劇涂層的磨損，所以，涂層中的Cr3C2顆粒的大小要適中，才能起到很好耐沖蝕作用[10]。

在固體顆粒沖刷過程中，涂層中的孔隙易成為裂紋源，較多的孔隙會產(chǎn)生大量的微裂紋源，并使得裂紋的擴散變的更容易，低的孔隙率有利于提高涂層的耐沖蝕性。

綜合來說，Cr3C2/NiCr涂層耐沖蝕性受到涂層的微觀組織、結(jié)合力、塑韌性、硬質(zhì)顆粒大小和孔隙率等因素的影響。本研究中利用HVOF技術(shù)制備的Cr3C2/NiCr涂層具有優(yōu)異的顯微結(jié)構(gòu)、高的涂層結(jié)合力、細(xì)小彌散分布的硬質(zhì)顆粒以及孔隙率較低等優(yōu)點，因此涂層具有優(yōu)良的耐沖蝕性。涂層應(yīng)用于固體顆粒沖蝕環(huán)境，可有效提高零部件質(zhì)量和使用壽命，提高機組可靠性。

3 結(jié)論

1）Inconel 625涂層結(jié)合力為48.1 MPa，顯微硬度HV0.2kg487.7，孔隙率0.9%；Cr3C2/NiCr涂層結(jié)合力為70.8MPa，顯微硬度HV0.2kg950.6，孔隙率0.8%；Inconel 718涂層結(jié)合力為50.3MPa，顯微硬度HV0.2kg 505，孔隙率1.2%；Stellite 6涂層結(jié)合力為56.5MPa，顯微硬度HV0.2kg 569.5，孔隙率1.0%。綜合對比四種涂層基本性能，Cr3C2/NiCr涂層表現(xiàn)最優(yōu)異。

2）Cr3C2/NiCr耐固體顆粒沖刷性能最好，沖蝕試驗后其失重量僅為基體合金鋼15Cr2Mo的20%，其它三種涂層耐沖蝕性能相差不大，失重量約為基體合金鋼15Cr2Mo的40%左右。

3）Cr3C2/NiCr涂層顯微組織中，NiCr相為較軟的基體相，Cr3C2硬質(zhì)相則以多邊形彌散分布在合金相上，形成復(fù)合顯微結(jié)構(gòu)，從根本上決定了Cr3C2/NiCr涂層在機械性能、耐磨性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

4）固體顆粒沖刷試驗后，Cr3C2/NiCr涂層表面磨痕比較明顯，但是沒有發(fā)生明顯的涂層分層剝落現(xiàn)象。優(yōu)異的微觀結(jié)構(gòu)、細(xì)小彌散的硬質(zhì)顆粒以及較低的孔隙率等因素對涂層耐沖蝕性的顯著提高起著關(guān)鍵作用。Cr3C2/NiCr涂層應(yīng)用于沖蝕磨損環(huán)境，可有效提高零部件壽命。

[1]紀(jì)崗昌,王豫躍,李長久,等.HVOF噴涂Cr3C2/NiCr涂層的磨粒磨損性能[J].焊接學(xué)報,2000,21（3）:89-92.

[2]王海軍,蔡江,韓志海.超音速等離子與HVOF噴涂WC-Co涂層的沖蝕磨損性能研究[J].材料工程,2005（4）:50-54.

[3]潘繼崗,樊自拴,孫冬柏,等.超音速火焰噴涂Fe基非晶合金涂層的性能研究[J].材料工程,2005（9）:53-55.

[4]Murthy J K N，Venkataraman B．Abrasive wear behavior of WCCoCr and Cr3C2-20（NiCr）deposited by HVOF and detonation spray processes[J].Surface&Coatings Technology，2006，200：2642-2652．

[5]LUGSCHEIDER E,REM ER P,H ERBEST C.NiCr-CrC and NiCr-TiC high w ear resistant coatings for protective applications in steam turbines[A].OHMARI A.Proceedings of ITSC95[C].Osaka, Japan:Japan High Temperature Society,1995：235-240.

[6]李振鐸，于月光，劉海飛，等.高溫耐磨損Cr3C2一25%NiCr涂層制備及其性能研究[J].有色金屬（冶煉部分），2006（SO）：37-40．

[7]王學(xué)軍,葛麗玲,譚佳健.我國離心壓縮機的發(fā)展歷程及未來技術(shù)發(fā)展方向[J].風(fēng)機技術(shù),2015（3）:65-77.

[8]虞明，朱柏安.組裝式離心壓縮機腐蝕積垢原因分析及處理措施[J].風(fēng)機技術(shù)，2014（1）：83-86，92.

[9]唐才宇,崔蓮順.防結(jié)垢、防腐蝕多層復(fù)合涂層的體系及性能研究[J].風(fēng)機技術(shù),2016（2）:70-74.

[10]鮑君峰，于月光，劉海飛.HVOF噴涂WC／Co涂層沖蝕磨損機理研究[J].礦冶,2006,15（1）:24-28．

Study on the Erosion Resistance of Cr3C2/NiCr,Stellite6, Inconel625 and Inconel718 Coatings Sprayed by HVOF

Si-ze Yang
（Shenyang Blower Works Group Corporation）

Cr3C2/NiCr,Stellite6,Inconel625 and Inconel718 coatings were applied to a 15Cr2Mo steel substrate by means of high velocity oxygen fuel spraying(HVOF).The microstructures,adhesion strength,porosity,micro-hardness of the coatings were analyzed and erosion tests were conducted to study the erosion resistance of the four coatings.The results show that the Cr3C2/NiCr performs best in adhesion strengths,micro-hardness and porosity.Meanwhile the erosion resistance of Cr3C2/NiCr is best and its weight loss is only 20%of the weight loss of 15Cr2Mo steel during the erosion test.The microstructure of crosssection morphology of Cr3C2/NiCr shows that the hard carbide Cr3C2is distributed on the soft NiCr phase in the form of polygons.After the erosion test,there are obvious erosion marks,but the coating clearly did not peel off.The Cr3C2/NiCr coating shows good erosion resistance because it has an ideal microstructure,finer carbide hard particles,low porosity,etc.. Applying the Cr3C2/NiCr coating in erosion environments greatly improves the service life.

HighVelocityOxygenFuelSpraying(HVOF)，Cr3C2/NiCr，Stellite6，Inconel625，Inconel718，erosionresistance

TG178；TK05

1006-8155（2017）02-0066-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0012

2016-06-10 遼寧 沈陽 110869