超音速火焰喷涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂层耐冲蚀性能研究

杨思泽

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

超音速火焰喷涂Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂层耐冲蚀性能研究

杨思泽

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

采用超音速火焰喷涂技术，在15Cr2Mo合金钢上制备了Cr3C2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂层。测定了涂层的显微组织、结合力、显微硬度、孔隙率。研究了涂层耐固体颗粒冲蚀性能。结果表明，Cr3C2/ NiCr涂层在结合力、显微硬度和孔隙率方面均优于其他涂层。同时，Cr3C2/NiCr耐固体颗粒冲刷性能最好，其冲蚀试验失重量仅为基体15Cr2Mo的20%左右。Cr3C2/NiCr涂层显微组织中，高硬度的碳化物Cr3C2陶瓷相以多边形弥散分布在较软的基体NiCr合金相上。固体颗粒冲刷试验后，Cr3C2/NiCr涂层表面磨痕比较明显，但是没有发生明显的涂层分层剥落现象。优异的微观结构、细小的硬质颗粒以及较低的孔隙率等因素对涂层耐冲蚀性的显著提高起着关键作用。Cr3C2/NiCr涂层应用于冲蚀磨损环境，可有效提高部件寿命。

超音速火焰喷涂；Cr3C2/NiCr；Stellite6；Inconel625；Inconel718；耐颗粒冲蚀性

0 引言

超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel,HVOF）焰流温度较低（3 000℃左右）速度高（可达2 000m/s），喷涂粒子可获得更大动能，形成的涂层致密，氧化物含量低，结合强度高，在喷涂金属碳化物和金属合金等材料方面显现出了明显优势，因此得到了广泛的应用，特别适用于喷涂Cr3C2/NiCr等易受热分解的碳化物金属陶瓷材料和Stellite6等高合金材料[1-3]。目前，Cr3C2/NiCr等碳化物金属陶瓷已广泛应用于制造耐磨涂层以提高零部件的使用寿命，在机械、冶金等行业中的有着广泛的应用前景，如高速轴类零件、泵类密封件、柱塞件、轧辊等工件表面都需要高耐磨性的材料[4-6]。Stellite6、Inconel625、Inconel718由于在高温下具有良好的稳定性，并具有良好的耐腐蚀和耐磨损性能，在超音速火焰喷涂涂层领域应用广泛。

我公司压缩机产品应用于石化领域，尤其是应用于油气田上游和煤化工类的产品，面临腐蚀和冲蚀类工况较多，需要对通流部件进行表面防护[7-9]。本工作研究超音速火焰喷涂Cr3C2/NiCr、Inconel625、Inconel718和Stellite6四种涂层的基本力学性能，耐固体颗粒冲蚀性能，为超音速火焰喷涂工艺的应用提供依据。

1 实验材料与方法

金属陶瓷碳化物粉末Cr3C2/NiCr，其成分为75% Cr3C2和25%NiCr，NiCr中Ni含量为80%、Cr含量为20%，粉末颗粒粒径范围为-45μm/+15μm，采用团聚和烧结技术制造；钴基高温合金粉末Stellite6，镍基合金粉末Inconel718、Inconel625均采用气体雾化球化技术制造，粉末颗粒粒径范围均为-45μm/+11μm。

热喷涂基体材料为合金钢15Cr2Mo，涂层结合强度依据ASTM C633热喷涂涂层结合强度标准试验方法标准，在Φ25×6mm的试样上喷涂厚度大于0.38mm的涂层，用专门测试涂层结合力的胶片粘接到标准工装上，然后180℃加热使粘接充分牢固，每种涂层喷涂5个试样进行测试。采用显微硬度计进行涂层显微硬度测量，压力200g，在每个涂层面取5个点进行测试，取其平均值作为其硬度值。涂层显微组织形貌分析采用Axiovert 200 MAT光学显微镜、VK-X100 3D激光扫描显微镜和ZEISS EVO-18扫描电子显微镜进行。依据光学显微镜获取的金相照片，采用Image J图像处理软件，通过计算空隙区域面积法来测量涂层孔隙率，不同区域测量5次，取平均值。

喷涂设备采用进口的JP-5000型超音速火焰喷涂设备，喷涂时燃料为航空煤油，氧气为助燃气，根据四种不同粉末特点，选择合适的喷涂参数。

冲蚀试验按照ASTM-G76采用气体射流加速固体颗粒法测试材料耐冲蚀性的标准试验方法进行，冲蚀试验示意图如图1所示，模拟透平压缩机工况，采用高压气体+固体颗粒作为介质，进行颗粒冲刷试验。在冲蚀角15°，固体颗粒介质选用SiO2（粒径40μm）、喷出气体压强为0.14MPa冲蚀磨损3次，前两次每次时间5 min，第三次10min，最后为了更加明显测试涂层耐冲蚀性能，调大试验参数，冲蚀角15°、固体颗粒介质选用SiO2（粒径120μm）、喷出气体压强为0.34MPa，冲蚀磨损10min。选择15°这种低入射角目的在于模仿工况中粉尘等固体杂质与压缩机叶轮内流道相互作用的关系。每次冲蚀磨损完成后试样超声波清洗、烘干、称重，进而获得每次冲蚀实验失重量，同时拍摄冲蚀试验后试片的显微照片。

图1 气体冲蚀试验示意图Fig.1 Schematic diagram of gas erosion test

2 实验结果与讨论

2.1 涂层显微组织及基本性能

图2为四种涂层横截面形貌，四种涂层均呈明显的层状结构，涂层与基体结合紧密，结合界面无空隙和缺陷，涂层组织致密，无明显裂纹和缺陷，空隙极少。

2.2 涂层基本性能

图3为各涂层结合强度，从结果可以看出，结合力最高的是Cr3C2/NiCr，达到75MPa，其次是Stellite 6，Inconel 718和Inconel 625。涂层拉伸试验后，试样四种涂层断裂位置均发生在涂层与基体结合处，而且涂层与基体均发生完整剥落，这说明实验数据反映涂层与基体的真实结合强度。图4为各涂层及基体合金钢显微硬度值，金属陶瓷涂层Cr3C2/NiCr硬度最高，达到了HV0.2kg950.6，其余依次为Stellite6、Inconel718、Inconel625和基体15Cr2Mo。

图3 涂层结合强度Fig.3 Bonding strength of the coatings

图4 涂层显微硬度Fig.4 Micro-hardness of the coatings

涂层孔隙率结果如表1所示，由结果可以看出，四种涂层孔隙率均较低，可以有效防止气体和液体渗入涂层内部。综合对比四种涂层基本性能，Cr3C2/NiCr涂层表现最优异。

表1 涂层孔隙率表Tab.1 Porosity of the coatings

2.3 涂层冲蚀磨损实验结果与分析

图5为四种涂层和基体材料在不同参数，经过不同冲蚀时间后，测得的失重量。由图5可以看出，在冲蚀时间分别为5min、10min、20min和30min时，四种涂层失重量均优于基体合金钢15Cr2Mo，其中Cr3C2/NiCr耐冲蚀性最好，其失重量仅为基体合金钢15Cr2Mo的20%，其它三种涂层耐冲蚀性依次为Stellite6>Inconel718> Inconel625，但是这三种涂层失重量相差不大，其失重量为基体合金钢15Cr2Mo的40%左右。涂层冲蚀磨损曲线随时间变化比较平缓，失重随时间变化增加比较缓慢，而基体的冲蚀磨损失重随着时间增加变化很大，冲蚀磨损随时间的增加越来越剧烈。根据图5曲线可以看出，四种涂层中Cr3C2/NiCr耐颗粒冲蚀性能表现最优异，结合涂层基本性能对比结果，可见Cr3C2/NiCr涂层在四种涂层中具有最优良的性能表现。

图5 涂层和基体材料冲蚀实验失重量Fig.5 Mass loss of the coatings during the erosion test

2.4 Cr3C2/NiCr涂层深入分析

采用扫描电子显微镜成像，对涂层进行微观组织结构分析，如图6所示，图6a为合金钢上喷涂Cr3C2/NiCr涂层横截面显微组织，图6b为图6a中Cr3C2/NiCr涂层局部区域放大图。微观组织分析显示涂层中有两种不同的相，其中涂层中颜色较浅的区域为镍铬合金相，其作为较软的基体，一方面可以保证涂层与基体的高结合力，同时具有一定塑韧性，使得涂层不会太脆。颜色较深为金属碳化物碳化铬陶瓷相，碳化铬陶瓷相硬度非常高，以近似圆形或者多边形弥散分布在较软的合金相上，碳化铬陶瓷相保证了涂层具有高的硬度和优异的耐磨损、耐冲蚀性能。这样较软合金相基体上弥散分布碳化物陶瓷硬质相的复合显微结构，类似于颗粒强化的复合材料，结合了两种相的优势，从根本上决定了Cr3C2/NiCr涂层在机械性能、耐磨性等方面表现出优异的性能。

图6 扫描电镜下Cr3C2/NiCr背散射电子显微形貌图Fig.6 BSEI micrograph showing cross-section morphology of HVOF sprayed 75Cr3C2-25NiCr coating

图7为Cr3C2/NiCr涂层经过四次固体颗粒冲刷实验后的表面形貌，其中（a）图为冲蚀实验后试片宏观形貌图，（b）图为涂层冲蚀试验后表面局部放大图。从两图可以看出涂层表面磨痕比较明显，但是没有发生明显的涂层分层剥落现象，该现象说明Cr3C2/NiCr涂层从基体上是逐层剥落的，并且与基体保持着良好的结合力。

图7 Cr3C2/NiCr涂层冲蚀试验后表面形貌图Fig.7 Morphology of Cr3C2/NiCr coating after erosion test

涂层表面受到固体颗粒的作用主要是冲击和切削，固体颗粒对涂层的反复冲击会使涂层表面产生疲劳应力，疲劳应力使得涂层产生微观的裂纹，随着不断的冲击，微小的裂纹会长大、扩展并连接，最终在涂层上形成较大的裂纹，从而导致涂层剥落(见图7(b））。超音速火焰喷涂工艺形成的涂层呈层状分布，因此涂层与基体以及各层之间的结合力对涂层的抗固体颗粒冲刷性能影响较大，从涂层显微组织分析可以看出，NiCr合金相分布均匀，这有助于涂层韧性提高，进而提高涂层与基体结合力。同时由于超音速喷涂过程中产生了大量的细晶粒边界，可以阻碍微观裂纹生长，防止较大裂纹的形成，从而提高涂层韧性及塑性。

陶瓷相金属碳化物Cr3C2硬质颗粒弥散分布在合金相基体上，大大提高了涂层硬度，对涂层起到强化作用，有效减弱泥沙颗粒对涂层的切削。但是如果涂层中的硬质颗粒过大，过大的Cr3C2硬质颗粒在固体颗粒冲击下容易脱离基体而剥落，而这些剥落的大的Cr3C2颗粒会加剧涂层的磨损，所以，涂层中的Cr3C2颗粒的大小要适中，才能起到很好耐冲蚀作用[10]。

在固体颗粒冲刷过程中，涂层中的孔隙易成为裂纹源，较多的孔隙会产生大量的微裂纹源，并使得裂纹的扩散变的更容易，低的孔隙率有利于提高涂层的耐冲蚀性。

综合来说，Cr3C2/NiCr涂层耐冲蚀性受到涂层的微观组织、结合力、塑韧性、硬质颗粒大小和孔隙率等因素的影响。本研究中利用HVOF技术制备的Cr3C2/NiCr涂层具有优异的显微结构、高的涂层结合力、细小弥散分布的硬质颗粒以及孔隙率较低等优点，因此涂层具有优良的耐冲蚀性。涂层应用于固体颗粒冲蚀环境，可有效提高零部件质量和使用寿命，提高机组可靠性。

3 结论

1）Inconel 625涂层结合力为48.1 MPa，显微硬度HV0.2kg487.7，孔隙率0.9%；Cr3C2/NiCr涂层结合力为70.8MPa，显微硬度HV0.2kg950.6，孔隙率0.8%；Inconel 718涂层结合力为50.3MPa，显微硬度HV0.2kg 505，孔隙率1.2%；Stellite 6涂层结合力为56.5MPa，显微硬度HV0.2kg 569.5，孔隙率1.0%。综合对比四种涂层基本性能，Cr3C2/NiCr涂层表现最优异。

2）Cr3C2/NiCr耐固体颗粒冲刷性能最好，冲蚀试验后其失重量仅为基体合金钢15Cr2Mo的20%，其它三种涂层耐冲蚀性能相差不大，失重量约为基体合金钢15Cr2Mo的40%左右。

3）Cr3C2/NiCr涂层显微组织中，NiCr相为较软的基体相，Cr3C2硬质相则以多边形弥散分布在合金相上，形成复合显微结构，从根本上决定了Cr3C2/NiCr涂层在机械性能、耐磨性等方面表现出优异的性能。

4）固体颗粒冲刷试验后，Cr3C2/NiCr涂层表面磨痕比较明显，但是没有发生明显的涂层分层剥落现象。优异的微观结构、细小弥散的硬质颗粒以及较低的孔隙率等因素对涂层耐冲蚀性的显著提高起着关键作用。Cr3C2/NiCr涂层应用于冲蚀磨损环境，可有效提高零部件寿命。

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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 辽宁 沈阳 110869