超音速火焰喷涂Cr3C2

超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层的高温耐磨特性文章摘要：摘要超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层具有硬度高、韧性好、高低温耐磨性优越等特点，在流化床等高温耐磨部件上具有重要应用前景。本文采用CH-2000超音速火焰喷涂系统制备了Cr3C2-NiCr涂层，分析探讨了喷涂工艺条件与涂层微观组织结构对涂层耐磨损性能的影响，从而为喷涂粉末与涂层的结构与工艺设计提供依据。介绍了Cr3C2-NiCr涂层在流化床方面的应用研究与实例，分析了该技术在我国流化床方面推广应用的问题。关键词超音速火焰喷涂（HVOF）Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层高温耐磨涂层流化床0引言Cr3C2-NiCr是由金属合金粘结相NiCr与陶瓷硬质相Cr3C2组成的复合材料，因此具有陶瓷的硬度高、耐磨性好、抗高温氧化性能优越的特点，同时还具有金属基韧性高等特点，是最重要的高温耐磨涂层材料，一般可用于850-950OC以下。超音速火焰喷涂（HVOF）是制备高性能Cr3C2-NiCr涂层的最重要方法之一，其耐磨损性能主要取决于涂层的成分与显微组织结构等诸多因素［1-3］。1超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层结构与性能超音速火焰喷涂，又名高速氧燃料火焰喷涂，是利用丙烷、丙烯等燃气与高压氧气在特制的燃烧室中燃烧产生的高温高速焰流进行喷涂的方法。燃烧焰流速度可达1500m/s〜2000m/s以上。将粉末沿轴向或侧向送进焰流中，粉末粒子被加热至熔化或半熔化状态的同时，可被加速到高达300〜650m/s的速度，撞击在基体上后能够形成比其它喷涂方法结合强度更高的致密涂层［2］。HVOF喷涂中的超音速焰流温度约为3000OC，比等离子焰流温度低，且超音速焰流速度高致使粉末在焰流中的停留时间短，所以粉末在焰流中加热所达到的温度较低。超音速火焰喷涂是在八十年代初期，首先由美国Browning公司以Jet-Kote为商品推出。在国内，西安交通大学于1995年初在国内率先研制成功了CH-2000HVOF系统。1.1涂层结合强度与硬度涂层结合强度始终是决定涂层应用的最关键因素。CH-2000制备的HVOFCr3C2-NiCr涂层结合强度可超过90MPa（根据ASTMC633-79标准测量。测试时，基体为低碳钢，全部断在胶中，因此真实结合强度大于该数值。），显著高于等离子喷涂与电弧喷涂层（约20-60MPa）［4］。涂层硬度是耐磨涂层的重要参量之一，HVOFCr3C2-NiCr涂层的硬度为530-900Hv0.3，硬度受含碳量的显著因素，硬度随含碳量的增加而增加，即失碳会降低涂层硬度，如图1所示［5］。1.2粉末沉积特性在热喷涂过程中，粉末与基体碰撞后，一部分粉末沉积在基体上形成涂层，而另一部分粉末则发生反弹而损失掉，因此，热喷涂的粉末沉积效率理论上难以达到100%。图2为Cr3C2-25%NiCr粉末HVOF沉积的单个粒子形貌，尺寸大于约5mm的Cr3C2多角形的固态颗粒在碰撞过程中浮出了扁平粒子表面，呈现脱落趋势。当粒子速度较大时，这类浮出的颗粒在碰撞反弹力的作用下将脱落损失［6-8］。因此，对粉末沉积特性的控制是涂层微观组织结构控制的重要方法之一。1.3硬质陶瓷颗粒结构变化Cr3C2硬质颗粒的晶体结构在喷涂中可能变化，从而对涂层的耐磨损性能产生影响。若控制不当，部分Cr3C2脱碳转化为Cr7C3或Cr23C6,会对涂层耐磨损性能产生不利的影响［7］。图1含碳量对HVOFCr3C2-NiCr涂层硬度的影响(a)图2HVOF沉积的Cr3C2-25%NiCr单个颗粒的形貌1.4涂层耐磨损性能HVOFCr3C2-NiCr涂层的耐冲蚀磨损性能受硬质颗粒尺寸、含量等组织结构因素的影响。图3a为硬质陶瓷颗粒含量对涂层磨粒失重的影响，含量的增加有利于提高涂层的耐磨性能；图3b为综合考虑硬质陶瓷颗粒含量与尺寸的参量??含量与颗粒直径的平方根之比对涂层耐磨性能的影响，因此，含量的增加与颗粒尺寸的减小有利于提高涂层的耐磨损性能［6-8］。因此，通过粉末结构与喷涂工艺，控制涂层的结构为提高HVOFCr3C2-NiCr涂层的耐冲蚀磨损性能的重要途径。2HVOF金属陶瓷涂层在流化床方面的应用HVOF金属陶瓷涂层具有优越的高温耐磨性能，使用效果已经在锅炉部件上进行了实机考核。日本制钢公司Nagoya工厂对锅炉管采用HVOF制备了面积53m3厚度200pm的Cr3C2-NiCr涂层，结果表明涂层磨损速度为30pm/年，耐磨损性比锅炉管道钢提高10-15倍［9］。日本Babcock-Hitachi公司的实验室研究结果表明，HVOF金属陶瓷涂层的耐冲蚀磨损性能是碳钢与合金钢的5〜15倍［10］。还发现，涂层的耐冲蚀性能随着喷涂粉末颗粒的减小而增加，然而对其原因不清楚。关于HVOF金属陶瓷涂层冲蚀磨损机制的研究表明，涂层的主要失效形式为在颗粒冲击下裂纹沿扁平粒子界面扩展所致，磨料切削磨损不占主导地位。因此，控制涂层内扁平粒子的厚度与尺寸是提高涂层耐冲蚀性能的思路之一，基于减小粉末尺寸可减小扁平粒子尺寸的规律，通过粉末结构将有可能控制HVOF涂层的磨损［6-8］。在燃煤锅炉管道和流化床上的现场考核实验结果表明（如表1所示），在主过热器上，1年后检查发现等离子喷涂层已经脱落失效，HVOFWC-Co涂层内发现了裂纹但尚未脱落，而HVOFCr3C2-NiCr涂层表现出了很好的抗磨性能，是碳钢的20倍［10］。(a)(b)图3HVOFCr3C2-NiCr涂层中硬质颗粒含量（a）、含量与颗粒直径的平方根之比（b）对冲蚀失重的影响流化床在我国发电行业占有重要地位，高温耐磨涂层技术的成功应用将大幅度减少停机次数、提高运行时间与可靠性。目前，HVOF喷涂Cr3C2-NiCr涂层已经开始在我国流化床锅炉方面进行应用，然而，我国各电厂的燃料特性差异较大，磨损工况与磨损(a)表1金属陶瓷涂层现场考核实验结果3结语采用CH-2000超音速火焰喷涂系统制备了不同组织结构的金属陶瓷涂层，分析了涂层的组织结构和耐磨损性能，探讨了喷涂工艺条件与涂层微观组织结构对涂层耐磨损性能的影响。研究结果表明HVOF金属陶瓷涂层具有优越的结合强度，粉末结构与喷涂工艺对HVOF涂层的结构与性能将产生显著的影响。实验室研究与现场考核研究结果均表明，HVOF金属陶瓷涂层的耐磨性比锅炉管道钢高5-20倍，因此在流化床等高温耐磨部件上必将具有广阔的应用前景并获得重要应用效果。因此，研究推广HVOFCr3C2-NiCr金属陶瓷涂层在流化床中的应用，将为解决我国流化床锅炉管道的严重冲蚀磨损提供有效的解决方法。本项目得到国家跨世纪优秀人才基金、国家自然科学基金（No.59671061）与国际合作项目等基金资助。参考文献:C.-J.Li,A.OhmoriandY.Harada,EflectofpowderstructureonthestructureofthermallysprayedWC-Cocoatings,J.MaterSci.,.31(1996)785-794.杨晖、李长久，超音速火焰喷涂的火焰速度特性，中国表面工程，11(2)(1998)37-39.李长久，王豫跃，大森明，粉末结构对超音速火焰喷涂WC系金属陶瓷涂层结合的影响，中国表面工程，3(2)(2000)1-4.李长久，王豫跃，武涛，大森明，表面熔融粒子结构对HVOF金属陶瓷复合涂层结合性能的影响，西安交通大学学报，35(1)(2001)51-56.S.Keiji,C.-J.Li,G-C.Ji,RelationshipbetweenthemicrostructureandpropertiesofHVOFsprayedCr3C2-NiCrcoatings,(日本)溶接学会论文集，21(1)(2003)109-115.C.-J.Li,Y-Y.Wang,G-J.Yangetal,Effectofsolidcarbideparticlesizeondepositionbehavior,microstructureandwearperformanceofHVOFcermetcoatings,MaterSci.Technol.,20(9)(2004)1087-1096.纪岗昌，超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层组织结构与性能的研究，西安交通大学博士学位论文，2000.C.-J.Li,G.-C.Ji,Y.-Y.WangandK.Sonoya,ThedominantmechanismofcarbonlossduringHVOFsprayingofCr3C2-NiCr,ThinSolidFilms,Vol.419(2002)137-143.M.Sawa,J.Oohori,Application