離心式注水泵火焰超音速噴涂金屬陶瓷涂層性能試驗(yàn)研究

王群章，潘向雷，李志和，鄧華兵，呂 震，楊德良

（1中國(guó)石油化工有限公司河南油田分公司采油一廠，河南 南陽(yáng)474780；2濟(jì)南裕興化工有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250100；3山東金萃冶金技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南271109）

1 前言

在油田采油生產(chǎn)過程中，需要將大量水源注入地下，注水設(shè)備始終伴隨著油田的建設(shè)和生產(chǎn)。多級(jí)離心式注水泵作為油田采油的重要設(shè)備，保證其安全可靠、長(zhǎng)效節(jié)能運(yùn)行是必不可少的一項(xiàng)工作。注水過程耗電占生產(chǎn)總耗電量的45%，是礦井開發(fā)最大的耗電環(huán)節(jié)。提高注水系統(tǒng)效率，降低注水電耗對(duì)控制礦井開發(fā)成本具有重要意義。由于注入水質(zhì)復(fù)雜，對(duì)泵過流段葉輪、導(dǎo)葉腐蝕磨損加快，平均泵效在76%，大修周期1 a左右。因此，提高泵配件的耐磨性和抗腐蝕性是提高泵效的首要途徑。

金屬基碳化鎢陶瓷材料所特有的化學(xué)穩(wěn)定性和高硬度，決定了其良好的耐腐蝕性和耐磨性，采用火焰超音速噴涂工藝制作的鎳基或鈷基碳化鎢陶瓷涂層又具有優(yōu)良的耐氣蝕性能。金屬鑄件作為水泵過流部件的基體材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、可加工性強(qiáng)的特性，但鑄件表面耐氣蝕性能較差，往往在水泵過流部位因氣蝕而導(dǎo)致水泵功效降低甚至失效。在金屬鑄件表層復(fù)合一層金屬基碳化鎢陶瓷材料涂層，可以大幅度地提高水泵過流部件的耐磨、耐氣蝕性能，有效延長(zhǎng)使用壽命［1-3］。為此，本研究采用火焰超音速噴涂工藝對(duì)注水泵葉輪、導(dǎo)葉過流面復(fù)合金屬陶瓷涂層提高表面耐沖蝕性能，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)使用壽命、提高水泵效率的目的。

2 離心式注水泵失效形式及原理

多級(jí)離心式注水泵主要的失效形式為磨損、腐蝕和斷裂，造成水泵失效的原因主要是沖蝕和氣蝕［4］。沖蝕的形成機(jī)理主要有以下幾種形式：噴砂型沖蝕；水滴沖蝕；泥漿沖蝕；氣蝕（空蝕）；氣體介質(zhì)攜帶液滴和固體顆粒對(duì)材料的沖蝕；液體介質(zhì)攜帶氣泡和固體顆粒對(duì)材料的沖蝕。

離心式注水泵運(yùn)行時(shí)，由于離心力的作用在水泵葉輪銳角等處會(huì)形成小于液體溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力的低壓區(qū)，液體在該處發(fā)生汽化和溶解氣體逸出，形成小氣泡。這些氣泡隨流體從低壓區(qū)流向高壓區(qū)時(shí)，由于壓力變化使氣泡破裂凝結(jié)，形成局部的高真空區(qū)，在真空區(qū)域形成局部的高頻水錘。水錘連續(xù)作用在金屬表面上，致使金屬表面因逐漸疲勞而破壞［5］。另一方面，逸出的氣體中的活潑氣體在凝結(jié)時(shí)會(huì)放出的熱量，對(duì)金屬表面產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，使金屬表面呈現(xiàn)蜂窩狀或海綿狀的腐蝕凹坑［6］，由于水泵運(yùn)行的介質(zhì)同時(shí)含有一定的泥沙等雜質(zhì)，形成固體顆粒對(duì)葉輪的沖蝕，因此本試驗(yàn)研究主要針對(duì)上述第六種沖蝕失效機(jī)理對(duì)水泵葉輪表面進(jìn)行火焰超音速噴涂強(qiáng)化提高其表面抗沖蝕和磨損性能。

3 火焰超音速噴涂試驗(yàn)材料及方法

噴涂材料包括：F505噴涂粉、WC10Co4Cr噴涂粉、WC20Cr7Ni噴涂粉、10-20 SiC砂、HF-1000超音速火焰噴涂機(jī)，試驗(yàn)方案中采用兩種噴涂材料在45#鋼基體上復(fù)合不同金屬基碳化鎢陶瓷涂層，分別制作顯微硬度、金相分析、結(jié)合強(qiáng)度、耐空蝕性能檢測(cè)試樣，如表1所示，試樣工藝均為火焰超音速噴涂。

表1 HVOF處理試樣

4 涂層組織性能分析

4.1 金相觀察

將噴涂完的試樣沿橫向切開，按GB/T 13298—91金屬顯微組織檢驗(yàn)方法要求將其截面制成金相試樣，采用DMI8-C萊卡金相顯微鏡觀察涂層試樣的顯微組織。不同涂層材料的組織形貌如圖1所示。

圖1 試樣涂層組織形貌 100×

由圖1可以看出，圖1b試樣晶粒較小，黑色與白色的不同析出相互交錯(cuò)［7］，組織較細(xì)密并彌散分布一些細(xì)小孔洞，經(jīng)檢測(cè)孔隙率約6%。而圖1a試樣的晶粒尺寸相對(duì)較大，檢測(cè)孔隙率大約8%。導(dǎo)致試樣中孔隙率不同的原因主要是涂層材料冷卻速率不同，冷卻速率快導(dǎo)致涂層過冷度增大，涂層在堆積過程中析出相擴(kuò)散不充分形成一些彌散分布的微小孔洞。而隨著冷卻速率降低，涂層材料在堆積過程中析出相擴(kuò)散充分，彌散分布的孔洞減少，從而組織也就更加細(xì)密。由圖中可以看出，涂層與基體界面呈鋸齒狀機(jī)械嵌合并沒有明顯的冶金反應(yīng)，說明涂層與基體的結(jié)合形式主要是機(jī)械嵌合力，因此涂層界面的表面處理對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度起重要作用。

4.2 涂層的結(jié)合強(qiáng)度

依據(jù)GB/T 8642—2002中所規(guī)定的熱噴涂—抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定方法，每種涂層拉3個(gè)試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示，取3個(gè)使用結(jié)合強(qiáng)度的平均值作為涂層的結(jié)合強(qiáng)度，各涂層的結(jié)合強(qiáng)度如表2所示。

圖2 鈷基涂層拉伸后試樣

從圖2、圖3看出，涂層的斷裂大多發(fā)生在涂層之間的膠結(jié)層，說明涂層與基體的實(shí)際結(jié)合強(qiáng)度要大于試驗(yàn)中粘結(jié)膠的結(jié)合強(qiáng)度［8］。從表2可以看出，兩種試樣涂層結(jié)合強(qiáng)度差距不大，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的大小主要取決于打底層與基體的結(jié)合強(qiáng)度及涂層與打底層的結(jié)合強(qiáng)度。打底層選用的F505合金粉末中的Al在與基體結(jié)合過程中會(huì)發(fā)生放熱反應(yīng)，形成一些彌散分布的微冶金結(jié)合點(diǎn)，能顯著提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。因此打底層材料的選擇和噴涂質(zhì)量的好壞對(duì)涂層的性能至關(guān)重要［9］。

圖3 鎳基涂層拉伸后試樣

表2 HVOF涂層的結(jié)合強(qiáng)度

4.3 涂層的顯微硬度

涂層的表面硬度測(cè)量是依據(jù)GB/T 4340.1中所規(guī)定的金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法，基體為45#鋼，涂層厚度約為0.6～0.8 mm。試驗(yàn)設(shè)備為MVD-1000JMT2電腦數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)，涂層的顯微硬度結(jié)果見表3。

表3 HVOF涂層顯微硬度

從表3可以看出，火焰超音速噴涂合金碳化鎢涂層硬度明顯高于基體硬度，硬度與噴涂材料的性質(zhì)緊密相關(guān)，但噴涂層硬度與噴涂材料硬度有區(qū)別，即使是同一種噴涂材料，涂層硬度通常也是不同的。在噴涂過程中冶金反應(yīng)速度、冷卻速度、工藝參數(shù)的波動(dòng)以及涂層組織結(jié)構(gòu)的非均一性，造成噴涂涂層硬度的非均一性。

4.4 涂層抗氣蝕性能檢測(cè)

涂層的耐氣蝕性能測(cè)量是依據(jù)GBT 6383—2009中所規(guī)定制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，檢測(cè)儀器為YPS17D-HB實(shí)驗(yàn)級(jí)生化學(xué)，檢測(cè)結(jié)果見表4。

從表4結(jié)果中可以看出，鎳基自熔性合金粉末涂層試樣抗氣蝕性能較好。兩種合金粉末涂層經(jīng)氣蝕性能測(cè)試30 mim后，表面均出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕坑，但WC10Co4Cr涂層腐蝕更為嚴(yán)重，見圖4、圖5。

圖4 WC10Co4Cr涂層

圖5 WC20Cr7Ni涂層

表4 涂層氣蝕檢測(cè)結(jié)果

原因是由于火焰超音速涂層粉末加熱時(shí)間較短，鎳基粉末加熱至熔化后，在空氣中快速冷卻，部分元素未能擴(kuò)散完全，導(dǎo)致涂層中相的析出不充分，因鎳基碳化鎢合金的C含量較高，合金中析出的碳化物相含量較多，耐磨性能提高，同時(shí)鎳基碳化鎢合金涂層所含Cr含量較高，在受到腐蝕時(shí)能生成Cr2O3鈍化膜，有效的阻止了腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，降低了合金的腐蝕速率。在析出碳化物相及鈍化膜的共同作用下，使涂層表面的耐氣蝕性能上升。

5 結(jié)論

5.1 通過對(duì)不同材質(zhì)的火焰超音速噴涂涂層性能的比較分析得出，兩種合金碳化鎢粉末涂層表面顯微硬度都高于基體硬度，耐磨耐沖蝕能力顯著提高;

5.2 通過兩種涂層的結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果及涂層失效照片顯示，涂層的斷裂大多發(fā)生在涂層之間，說明涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于檢測(cè)用粘接劑的粘接強(qiáng)度，并且涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度與打底層和噴涂質(zhì)量有顯著關(guān)系;

5.3 通過兩種涂層抗氣蝕性能檢測(cè)結(jié)論分析，鎳基自熔性合金涂層具有更優(yōu)良的耐磨性能和耐氣蝕性能。