超音速噴涂WC-10Co4Cr及WC-12Co涂層的抗海水氣蝕性能

伏利，劉偉，陳小明，趙堅(jiān)，李育洛，張磊

超音速噴涂WC-10Co4Cr及WC-12Co涂層的抗海水氣蝕性能

伏利1, 2，劉偉1, 2，陳小明1, 2，趙堅(jiān)1, 2，李育洛3，張磊1, 2

(1. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012；2. 水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所 水利機(jī)械及其再制造技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012；3. 北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為提高海洋裝備表面抗海水氣蝕性能，在45#鋼基體上采用超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF)分別制備WC-10Co4Cr涂層和WC12-Co涂層。通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析WC-10Co4Cr、WC12-Co粉末和涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，并對(duì)涂層的孔隙率、顯微硬度和電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試表征。將涂層和基體在濃度為3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行抗海水氣蝕性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探討涂層的抗海水氣蝕機(jī)理。結(jié)果表明：HVOF制備的WC-10Co4Cr涂層孔隙率為0.42%，顯微硬度為1 317 HV0.2；WC-12Co涂層孔隙率為0.54%，顯微硬度為1 253 HV0.2。WC-10Co4Cr涂層的抗腐蝕性能優(yōu)于WC-12Co涂層；WC-10Co4Cr涂層的抗沖擊韌性略優(yōu)于WC-12Co涂層；在抗海水氣蝕性能方面，WC-10Co4Cr涂層優(yōu)于WC-12Co涂層，而WC-12Co涂層優(yōu)于45#鋼。WC-10Co4Cr涂層與WC-12Co涂層在氣蝕沖擊力、內(nèi)應(yīng)力和海水中Cl?的作用下，導(dǎo)致涂層的微型孔，裂紋不斷擴(kuò)展而出現(xiàn)脫落。

海水氣蝕；超音速火焰噴涂；WC-10Co4Cr；WC-12Co

船舶槳葉、海洋平臺(tái)閉排泵等是海洋裝備的關(guān)鍵部件，其長期在海洋環(huán)境中服役，工作狀態(tài)為快速旋轉(zhuǎn)，極易發(fā)生腐蝕和氣蝕[1?5]。腐蝕和氣蝕同時(shí)存在，兩者也會(huì)相互影響，海水腐蝕對(duì)氣蝕有加速作用，而氣蝕也會(huì)加劇腐蝕作用，因此海水氣蝕是海洋裝備特有的氣蝕形式。海水氣蝕會(huì)造成裝備整體性能下降，產(chǎn)生噪聲，減少設(shè)備使用壽命并給設(shè)備運(yùn)行安全帶來隱患。由于海水氣蝕破壞主要發(fā)生在材料表面，所以采用熱噴涂技術(shù)在基體材料表面制備抗腐蝕和抗氣蝕涂層，是強(qiáng)化材料表面結(jié)構(gòu)、提高表面抗沖蝕性能的有效途徑之一，這要求涂層必須具有高的硬度、強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和韌性[6?10]。超音速噴涂碳化鎢具有高結(jié)合強(qiáng)度、高硬度、高韌性等特點(diǎn)，擁有優(yōu)良的耐氣蝕性能，適合用于抗氣蝕表面強(qiáng)化[11?14]。但目前超音速火焰熱噴涂碳化鎢涂層主要應(yīng)用在淡水氣蝕中，對(duì)于海水氣蝕性能研究還有待提高。本研究中，采用超高音速火焰噴涂技術(shù)分別制備WC-10Co4Cr涂層和WC-12Co涂層，表征和分析涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度、抗海水氣蝕性能，并探討涂層在海水中的氣蝕機(jī)理，為解決水輪機(jī)的泥沙沖蝕問題提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層的制備

噴涂前將基體(45#不銹鋼)用乙醇清洗干凈并烘干，再用20~30目白剛玉噴砂粗化處理，噴砂角度：60°~80°，空氣壓力：0.4~0.5 MPa，噴砂距離：80~100 mm，噴砂毛化處理后的基體表面粗糙度Ra：8~12 μm。

噴涂粉末采用團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的WC-10Co4Cr粉末和WC-12Co粉末，都具有良好的球形度和流動(dòng)性，經(jīng)團(tuán)聚后形成的粉末粒徑為15~45 μm。

噴涂設(shè)備為進(jìn)口氧?煤油超音速火焰噴涂設(shè)備，該設(shè)備以航空煤油為燃料，氧氣為助燃?xì)怏w，氮?dú)鉃樗头圯d氣。WC-10Co4Cr和WC-12Co涂層噴涂參數(shù)為：煤油24 L/h，氧氣52 L/h，噴涂距離380 mm，送粉量70 g/min。

1.2 涂層的表征與測(cè)試

將切割好的試樣鑲嵌磨拋。在KMM-500E型光學(xué)顯微鏡下，利用圖像法測(cè)量分析涂層的孔隙率，測(cè)10個(gè)區(qū)域并求平均值。采用荷蘭PANalytical(帕納科)X`Pert Powder型(XRD)。X射線衍射儀對(duì)涂層進(jìn)行物相分析；利用ULTRA55掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)粉末、涂層表面及截面進(jìn)行微觀形貌觀察和顯微組織分析；采用Zeiss Supra55掃描電子顯微鏡對(duì)氣蝕后不同涂層表面的形貌進(jìn)行對(duì)比觀察以分析不同結(jié)構(gòu)涂層的海水氣蝕失效機(jī)理。

圖1 WC-10Co4Cr和WC-12Co粉末形貌

利用自主研發(fā)的SQCT001高強(qiáng)高韌沖擊韌性試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣做沖擊韌性測(cè)試，并在RETC進(jìn)口光學(xué)輪廓儀下觀察涂層沖擊后的凹坑，并測(cè)量凹坑的直徑和深度。沖擊韌性實(shí)驗(yàn)參數(shù)：沖擊功==17.25 J，其中球質(zhì)量=880 g，沖擊高度=2 m。

利用RST5200電化學(xué)工作站測(cè)試涂層的電化學(xué)性能，經(jīng)過環(huán)氧樹脂封裝后的試樣作為工作電極，鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，測(cè)試溫度25 ℃，溶液為3.5%的NaCl溶液。

采用氣蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層與基體進(jìn)行海水氣蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：溶液為3.5%的NaCl溶液，超聲功率：1 000 W，單次超聲時(shí)間：2 s，間隙時(shí)間：2 s，超聲時(shí)間：8 h。每隔2 h稱量質(zhì)量一次，計(jì)算質(zhì)量 損失。

2 結(jié)果及分析

2.1 涂層的顯微結(jié)構(gòu)及物相分析

圖2為超音速噴涂法制備的WC-10Co4Cr和WC- 12Co涂層截面的SEM照片。由圖可知，WC-10Co4Cr和WC-12Co涂層組織結(jié)構(gòu)致密，涂層無明顯層狀結(jié)構(gòu)。WC-10Co4Cr涂層平均孔隙率約為0.42%，平均顯微硬度為1 317 HV0.2；WC-12Co涂層平均孔隙率為0.54%，平均顯微硬度1 253 HV0.2。WC-10Co4Cr涂層和WC-12Co涂層孔隙率均較低且接近，低孔隙可減少腐蝕通道，提高涂層的耐腐蝕性能。

圖2 WC-10Co4Cr 和 WC-12Co涂層的截面形貌

圖3為WC-10Co4Cr和WC-12Co涂層的XRD圖譜。從圖可知WC-10Co4Cr和WC-12Co涂層中均以WC相為主相，但也存在較弱的W2C相衍射峰，說明在噴涂過程中，WC中的C與O2反應(yīng)分解脫碳。雖然W2C 相可以提高涂層的顯微硬度，但W2C相脆性大，不利于涂層的韌性，噴涂過程中應(yīng)盡量避免。

2.2 涂層的電化學(xué)性能

圖4所示為WC-10Co4Cr和WC-12Co涂層與基體45#鋼的電化學(xué)腐蝕電位曲線。從圖中可看出，WC-10Co4Cr涂層的腐蝕電位(?0.245 2 V)最高，WC- 12Co的腐蝕電位(?0.479 8 V)其次，基體45鋼的腐蝕電位(?0.541 6 V)最低。對(duì)圖4中塔菲爾(Tafel)極化曲線使用外推法，沿陰極和陽極極化曲線的Tafel直線反推得到交叉點(diǎn)，交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的電流為自腐蝕電流密度corr[15]，經(jīng)過擬合可知WC-10Co4Cr涂層的corr=4.26×10?7A/cm2，WC-12Co涂層的corr=3.89× 10?6A/cm2，45#鋼的corr=2.62×10?5A/cm2。腐蝕速度與腐蝕電位成反比，與自腐蝕電流密度成正比，綜合以上數(shù)據(jù)可知在抗電化學(xué)腐蝕能力方面，WC- 10Co4Cr涂層優(yōu)于WC-12Co涂層，WC-12Co涂層優(yōu)又于45#鋼。

圖3 WC-10Co4Cr 和 WC-12Co涂層的XRD圖

圖4 涂層與基體的電化學(xué)曲線

2.3 涂層的抗沖擊韌性

圖5所示為沖擊韌性試驗(yàn)后WC-10Co4Cr涂層和WC-12Co涂層在光學(xué)輪廓儀下觀察所得到的凹坑度圖。通過軟件分析可知WC-10Co4Cr涂層凹坑深度約25 μm，直徑約3.6 mm； WC-12Co涂層凹坑深度約30 μm，直徑約3.2 mm。在相同的沖擊功下，WC-10Co4Cr涂層變形程度略小于WC-12Co涂層，說明WC-10Co4Cr涂層沖擊韌性略強(qiáng)于WC-12Co涂層，也間接證明了WC-10Co4Cr涂層硬度大于WC-12Co涂層。

2.4 涂層海水抗氣蝕性能

表1所列為涂層與基體的海水氣蝕的質(zhì)量損失數(shù)據(jù)。從表1可知，經(jīng)過8 h的海水氣蝕實(shí)驗(yàn)后，WC-10Co4Cr涂層的質(zhì)量損失為0.007 44 g，WC- 12Co涂層質(zhì)量損失為0.011 73 g，而基體45#鋼的質(zhì)量損失為0.012 12 g，從質(zhì)量損失上比較：WC- 10Co4Cr涂層＜WC-12Co涂層＜45#鋼，說明抗海水氣蝕性能優(yōu)劣順序?yàn)閃C-10Co4Cr＞W(wǎng)C-12Co＞45#鋼。

圖6所示為WC-10Co4Cr涂層和WC-12Co涂層在3.5%NaCl溶液中模擬海水氣蝕后的表面形貌。從圖6(a)，(c)中觀察到WC-10Co4Cr涂層和WC-12Co涂層表面均存在大量裂紋和氣蝕凹坑，這主要是由于氣泡在涂層表面泯滅時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)大且無規(guī)則的交變沖擊應(yīng)力，這種沖擊應(yīng)力和微射流沖擊力共同作用在涂層表面薄弱處(如微孔、裂紋等缺陷處)，導(dǎo)致微型孔、裂紋的擴(kuò)展。將涂層放大后如圖6(b)，(d)所示，可以看到WC-12Co涂層表面剝落情況比WC-10Co4Cr涂層要略嚴(yán)重些，WC-12Co涂層軟質(zhì)相脫落更嚴(yán)重，導(dǎo)致大量硬質(zhì)相WC顆粒暴露出來，隨氣蝕時(shí)間延長，這些硬質(zhì)相會(huì)在沖擊力的作用下剝落，也導(dǎo)致氣蝕凹坑的產(chǎn)生。氣蝕凹坑和裂紋的存在為海水滲透提供了通道，Cl?穿過涂層進(jìn)入內(nèi)部，加速了凹坑、裂紋處的腐蝕，導(dǎo)致顆粒間結(jié)合力下降，涂層脆化，并在涂層內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在外部沖擊力循環(huán)作用下，加劇了涂層裂紋擴(kuò)展，加速涂層脫落。

圖5 WC-10Co4Cr 和 WC-12Co涂層的沖擊凹坑

圖6 WC-10Co4Cr涂層和WC-12Co涂層的氣蝕表面形貌

(a), (b) WC-10Co4Cr coating; (c), (d) WC-12Co coating

表1 涂層與基體海水氣蝕的質(zhì)量損失

3 結(jié)論

1) 利用氧?煤油超音速噴涂技術(shù)制備的WC- 10Co4Cr和WC-12Co涂層微觀組織致密，WC- 10Co4Cr涂層平均孔隙率為0.42%，平均顯微硬度為 1 317 HV0.2；WC-12Co涂層孔隙率為0.54%，涂層的顯微硬度為1 253 HV0.2。

2) WC-10Co4Cr涂層的抗腐蝕性能優(yōu)于WC- 12Co涂層；WC-10Co4Cr涂層的抗沖擊韌性略優(yōu)于WC-12Co涂層；在抗海水氣蝕性能方面，WC-10Co4Cr涂層優(yōu)于WC-12Co涂層，WC-12Co涂層優(yōu)于45#鋼。

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Seawater cavitation resistance of supersonic sprayed nano-WC-10Co4Cr and WC-12Co coatings

FU Li1, 2, LIU Wei1, 2, CHEN Xiaoming1, 2, ZHAO Jian1, 2, LI Yuluo3, ZHANG Lei1, 2

(1. Key Laboratory of Surface Engineering of Equipment for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province,Standard and Quality Control Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China; 2. Water Machinery and Remanufacturing Technology Engineering Laboratory of Zhejiang Province,Hangzhou Mechanical Design and Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China; 3. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to improve the seawater resistance of marine equipment, WC-10Co4Cr coating and WC12-Co coating were prepared on the 45#steel matrixes using supersonic flame spraying technology (HVOF). The microstructures of WC-10Co4Cr, WC12-Co powders and coatings were analyzed by scanning electron microscope (SEM), and the porosity, microhardness, and electrochemical properties of the coating were tested. The coatings and substrate were subjected to a seawater cavitation resistance comparison experiment under 3.5%NaCl solution. The mechanism of coating seawater cavitation was discussed. The results show that the porosity of WC-10Co4Cr coating prepared by HVOF is 0.42%, the microhardness of the coating is 1 317 HV0.2. The porosity of the WC-12Co coating is 0.54%, and the microhardness of the coating is 1 253 HV0.2. The corrosion resistance of WC-10Co4Cr coating is better than that of WC-12Co coating. The impact toughness of WC-10Co4Cr coating is slightly better than that of WC-12Co coating. For seawater cavitation resistance, WC-10Co4Cr coating is better than WC-12Co coating, and WC-12Co coating is better than 45#steel. The micro-holes and cracks of WC-10Co4Cr coating and WC-12Co coating were expanded and fallen off under the action of cavitation impact force, internal stress, and Cl?in seawater.

seawater cavitation; supersonic flame spraying; WC-10Co 4Cr; WC-12Co

TG147

A

1673-0224(2020)03-234-05

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2018C37029，2019C04019，GC19E090001)

2020?01?08；

2020?03?20

伏利，碩士，高級(jí)工程師。電話：0571-88082819；E-mail: fulitop@163.com

(編輯 高海燕)