采用超音速火焰噴涂制備抗高溫氧化、磨損涂層的研究及應(yīng)用

高海青，樂(lè)有樹(shù)，李運(yùn)初

1.廣東省新材料研究所，廣東 廣州 510650；2.廣州市天河區(qū)金棠表面工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 501640；3.廣東開(kāi)放大學(xué)，廣東 廣州 510091

高壓主汽門是火力發(fā)電廠的重要設(shè)備之一，主汽門的功能是在需要時(shí)起到緊急阻斷進(jìn)汽的作用，是汽輪機(jī)防止超速的最關(guān)鍵保護(hù)裝置．高壓主汽門、調(diào)節(jié)門的卡澀事件屢見(jiàn)不鮮，最常見(jiàn)的是高溫產(chǎn)生的氧化皮造成閥桿與閥套間的卡澀，以及高壓主汽門、調(diào)節(jié)門閥套、閥桿同心度改變，使動(dòng)靜間隙消失而造成的卡澀．同時(shí)，高溫產(chǎn)生的氧化皮還能造成閥桿表面劃傷磨損．金屬高溫氧化現(xiàn)象是普遍存在的，由于結(jié)構(gòu)上的原因，高壓主汽門對(duì)蒸汽介質(zhì)有節(jié)流調(diào)節(jié)作用，這是加速金屬氧化的一個(gè)重要因素[1]．

處理高壓主汽門氧化皮卡澀的常規(guī)措施，就是大修時(shí)將閥座少量的氧化皮用金相砂紙拋光并清理干凈、閥芯密封面上的灰白色鱗片狀氧化皮用車床去除、閥桿與閥桿套表面及接觸面的灰色鱗片狀氧化皮用砂紙打磨．用車床或用砂紙打磨去除氧化皮的方法，可使閥芯和閥芯套筒之間恢復(fù)正常間隙，但這樣處理只是臨時(shí)性的解決了問(wèn)題，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)重新產(chǎn)生氧化皮，往往一個(gè)大修期還沒(méi)到就又會(huì)產(chǎn)生卡澀，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，而且打磨拋光的次數(shù)多了，閥桿、閥套等尺寸會(huì)變小，造成他們之間的間隙變大，從而使閥門失效并報(bào)廢，這也會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失．

熱噴涂技術(shù)是一種將涂層材料(粉末或絲材)送入某種熱源(電弧、燃燒火焰、等離子體等)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工藝[2]．熱噴涂工藝操作簡(jiǎn)便，涂層材料種類多．特別是高速熱噴涂設(shè)備的相繼問(wèn)世，如高能等離子噴涂、超音速火焰噴涂( HVOF，HVAF) 設(shè)備的出現(xiàn)，使得熱噴涂涂層孔隙多、結(jié)合強(qiáng)度不高的弱點(diǎn)得以克服，涂層質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍．特別是超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF及HVAF)，其制備的涂層孔隙率小于1%，結(jié)合強(qiáng)度大于70 MPa，涂層沉積率高[3]．研究結(jié)果表明[4-5]，熱噴涂涂層不但能加工到像鍍鉻層一樣的鏡面光潔度，而且在硬度及耐磨性能等方面還超過(guò)鍍鉻層，在很多場(chǎng)合完全可以取代電鍍硬鉻．

廣州市天河區(qū)金棠表面工程技術(shù)有限公司與粵電集團(tuán)的多家電廠合作，根據(jù)主汽門的使用工況開(kāi)發(fā)了一種抗高溫氧化磨損涂層．該涂層采用超音速火焰噴涂工藝制備，在850 ℃下不產(chǎn)生氧化皮，而且硬度高、耐磨性能好，可以從根本上解決主汽門因高溫氧化磨損產(chǎn)生的卡澀問(wèn)題．

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣基體材料為與主汽門材質(zhì)相同的2Cr12NiMoWV不銹鋼，試樣尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的硬度試樣及杯突試驗(yàn)試樣和金相試樣．選用自主研制的NiCr-Cr3C2熱噴涂粉末，其粒度為15～45 μm，具體成分列于表1．

表1 NiCr-Cr3C2粉末組成成分

首先對(duì)基體表面進(jìn)行除油清洗及噴砂粗化，然后用美國(guó)進(jìn)口的Jet-Kote Surface SystemⅡ型HVOF超音速火焰噴涂設(shè)備制備NiCr-Cr3C2涂層，涂層厚度為0.1～0.2 mm，噴涂工藝參數(shù)列于表2．用于摩擦磨損試驗(yàn)的涂層表面需先用金剛石砂紙磨樣，拋光至表面粗糙度0.8 μm以下．

表2 噴涂工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

用LEICA DMIRM型倒置式金相顯微鏡,對(duì)涂層表面及截面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察;基于涂層截面金相照片，用Q550 MW圖象分析儀測(cè)定涂層的孔隙率．在GP-TS2000M型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行杯突和結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，用直徑20 mm的鋼球，以6 mm/min的速度向杯突板無(wú)涂層面壓入10 mm的深度，觀察突出部分的表面情況，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C633進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試．用MH-5D型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層橫截面的顯微硬度，加載載荷為300 g，加載時(shí)間為15 s．用UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)基體(2Cr12NiMoWV不銹鋼)和NiCr-Cr3C2涂層的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試，樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速為200 r/min，載荷為5 kg，高溫(570 ℃)摩擦副為直徑4 mm的Si3N4陶瓷球，時(shí)間為20 min．

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的微觀結(jié)構(gòu)

圖1為NiCr-Cr3C2涂層金相組織形貌．從圖1可見(jiàn)，該涂層致密、均勻，無(wú)污染物涂層的孔洞、未熔顆粒等均滿足要求．經(jīng)測(cè)算，涂層的孔隙率為0.6%～0.7%．

圖1 NiCr-Cr3C2涂層金相組織形貌Fig.1 NiCr-Cr3C2 coating metallographic organization

圖2 NiCr-Cr3C2涂層杯突表面形貌Fig.2 Erichsen test images of the NiCr-Cr3C2 coating

2.2 力學(xué)性能

在GP-TS2000M型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行杯突和結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，觀察突出部分的表面情況，要求目視允許有可見(jiàn)的毛細(xì)裂紋，不允許出現(xiàn)涂層與基體分離的現(xiàn)象．圖2為NiCr-Cr3C2涂層杯突試驗(yàn)后的表面形貌．從圖2可見(jiàn)，涂層表面整體連續(xù)均勻，只有可見(jiàn)的毛細(xì)裂紋，無(wú)涂層剝離現(xiàn)象，這說(shuō)明NiCr-Cr3C2涂層韌性較好．

表3為NiCr-Cr3C2涂層的結(jié)合強(qiáng)度及顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果．由表3可知，NiCr-Cr3C2涂層結(jié)構(gòu)致密，界面狀態(tài)很好，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，平均硬度值高達(dá)860 Hv以上．

表3 NiCr-Cr3C2涂層的結(jié)合強(qiáng)度及顯微硬度Hv(0.3，15)值

2.3 涂層高溫摩擦磨損性能

對(duì)基體和NiCr-Cr3C2涂層進(jìn)行高溫摩擦磨損測(cè)試，結(jié)果列于表4．由表4可知，基體與涂層的摩擦系數(shù)相近，但是兩者之間的磨損程度存在明顯差異，基體磨損失重達(dá)到14.4 mg，而涂層失重為1.7 mg，僅為基體的11.8%．表明，在主汽門零部件表面制備NiCr-Cr3C2涂層，可以顯著提高零件的耐磨性能．

表4 高溫摩擦磨損測(cè)試結(jié)果

圖3為高溫下NiCr-Cr3C2涂層的摩擦系數(shù)曲線．從圖3可見(jiàn)，NiCr-Cr3C2涂層磨合磨損過(guò)程較長(zhǎng)，這是由于涂層表面存在未熔融或半熔融微凸體而較為粗糙．當(dāng)磨球與涂層表面剛接觸時(shí)，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于名義接觸面積，在微觀應(yīng)力的作用下微凸體的形變使得阻力增加．當(dāng)磨球與涂層表面的接觸面積隨時(shí)間增加而逐漸變大時(shí)，摩擦系數(shù)亦趨于穩(wěn)定，在測(cè)試后期摩擦系數(shù)有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明該涂層具有較好的抗高溫摩擦磨損性能．

圖3 高溫下NiCr-Cr3C2涂層的摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficients of NiCr-Cr3C coating

圖4為高溫摩擦磨損試樣．從圖4(a)可見(jiàn)，無(wú)NiCr-Cr3C2涂層試樣的磨損區(qū)域磨痕寬度較大，表面凹凸不平．這是由于在高溫環(huán)境下，2Cr12NiMoWV不銹鋼基體出現(xiàn)軟化，使粘著趨勢(shì)上升而抗高溫?cái)嗔训目沽档停谳d荷的不斷作用下基體發(fā)生塑性變形，在基體內(nèi)部缺陷處萌生裂紋并擴(kuò)展，進(jìn)而在磨痕的中心部形成剝落蝕坑，在邊緣可見(jiàn)材料因塑性變形而擠壓的痕跡．從圖4(b)可見(jiàn)，有NiCr-Cr3C2涂層的試樣表面比較平整且磨損區(qū)域磨痕較窄，磨損較少，表明有NiCr-Cr3C2涂層試樣表面摩擦磨損后的失重小，進(jìn)一步說(shuō)明該涂層具有較好的抗高溫摩擦磨損性能．

從NiCr-Cr3C2涂層的性能和高溫磨損試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，說(shuō)明采用超音速火焰噴涂制備NiCr-Cr3C2防護(hù)涂層，可以有效的解決主汽門的卡澀、磨損及劃傷問(wèn)題．

3 工藝應(yīng)用

廣州市天河區(qū)金棠表面工程技術(shù)有限公司在2010年對(duì)粵電集團(tuán)某電廠的主汽門閥帽進(jìn)行表面強(qiáng)化，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備NiCr-Cr3C2涂層．首先對(duì)主汽門閥帽磨損、卡澀的部位進(jìn)行車削加工，去除表面氧化皮及其它雜質(zhì)，再對(duì)閥帽的車削部位進(jìn)行清洗及噴砂凈化處理，然后采用熱噴涂技術(shù)在閥帽車削部位表面制備NiCr-Cr3C2涂層，最后對(duì)閥帽表面的NiCr-Cr3C2涂層進(jìn)行磨削加工及拋光處理，達(dá)到所要求的尺寸精度和表面粗糙度．采用上述工藝進(jìn)行表面強(qiáng)化的閥帽，在火電廠使用一個(gè)大修周期后，拆開(kāi)主汽門檢查發(fā)現(xiàn)，主汽門閥帽表面的涂層完好，沒(méi)有產(chǎn)生氧化皮，沒(méi)有磨損、劃傷(圖5)．

圖4 高溫摩擦磨損試樣Fig.4 High temperature friction and wear sample(a) 2Cr12NiMoWV不銹鋼試樣；(b) NiCr-Cr3C2涂層試樣(a)2Cr12NiMoWV stainless steel sample；(b)NiCr-Cr3C2 coating sample

圖5 使用一個(gè)大修周期后的主汽門閥帽(噴涂NiCr-Cr3C2涂層)Fig.5 The main valve capafter using a major repair period(spraying NiCr-Cr3C2coating)

4 結(jié) 論

采用超音速火焰噴涂制備的NiCr-Cr3C2涂層致密性好、硬度高、與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，高溫韌性和抗高溫氧化性能好．該涂層在高溫下摩擦磨損性能大大優(yōu)于2Cr12NiMoWV不銹鋼，表明該涂層可以應(yīng)用于抗高溫氧化與耐高溫磨損的環(huán)境中．

采用超音速火焰噴涂技術(shù)在火電廠高壓主汽門閥帽、閥芯等零部件表面制備一層NiCr-Cr3C2涂層進(jìn)行表面強(qiáng)化，解決了火電廠因高溫氧化及摩擦磨損、劃傷造成的主汽門失效問(wèn)題，延長(zhǎng)主汽門的使用壽命，為火電廠節(jié)約了成本、提高了生產(chǎn)效率．