YG8碳化钨硬质合金冲蚀磨损性能研究

，

(中国石化 上海高桥石化有限公司， 上海 200137)

试验研究

YG8碳化钨硬质合金冲蚀磨损性能研究

顾雪东，王朝平

(中国石化 上海高桥石化有限公司， 上海 200137)

采用自制的激波驱动气固两相流冲蚀磨损实验装置，分别选用厚度为0.13 mm、0.20 mm和0.30 mm的铝片，通过调节颗粒冲击速度和冲击角度对钴基碳化钨(WC-Co)硬质合金YG8进行冲蚀磨损实验，结合扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)分析气固两相流作用的冲蚀磨损形成机理。实验结果表明，随着颗粒冲击速度的增加，材料的冲蚀磨损率增大。随着颗粒冲击角度的增大，材料的冲蚀磨损率呈现先增大后减小的趋势，当冲击角度为75°左右时冲蚀磨损率达到峰值，WC-Co硬质合金呈现脆性材料的磨损性能。YG8材质的失效机理为高角度冲击作用下表面产生凹坑和裂纹，并进一步导致表面材料的剥落。

碳化钨硬质合金； YG8； 气固两相流； 冲蚀磨损； 实验研究

随着工业的发展，许多设备及管道处于高温、高压、高速及强腐蚀等极端工况，表面极易被磨损、腐蚀，造成零部件及整个设备的失效[1，2]。在石油化工、煤化工、气力输送和航空航天等领域的管道、阀门、叶轮机、发动机及相关设备中均存在冲蚀磨损失效现象，冲蚀磨损是造成机器零部件损坏、能源消耗及安全隐患的重要原因[3-5]，提高表面材料性能对于延长设备使用寿命、防止设备冲蚀失效具有重要影响意义[6]。

近年来，碳化钨(WC)硬质合金材料因具有良好的耐磨损性、耐腐蚀性和抗高温氧化等优点而受到日益广泛的关注[7]。文中采用自制激波驱动气固两相流冲蚀磨损实验装置[8，9]，对碳化钨硬质合金YG8材料进行实验研究，以得出不同条件下YG8材料的冲蚀磨损规律，揭示其冲蚀磨损机理。

1 冲蚀磨损实验材料及装置

1.1实验材料

WC硬质合金是以较难被溶解的金属碳化物WC为基体，添加上粘结剂，用粉末冶金的方法生产而成的复合材料，具有硬度高、耐磨性强等特点[10]。本实验所用靶材WC硬质合金材料为煤直接液化装置中调节阀阀芯及出口衬套的涂层材料，牌号为YG8。YG8是钨钴类硬质合金，粘结剂为Co，其密度14.6 g/cm3、硬度HV1 350、弹性模量540 MPa、抗弯强度1 500 MPa、抗压强度4 470 MPa。

本实验采用冲蚀磨损常用的石英砂SiO2颗粒为冲蚀粒子，用筛网进行筛选，获得平均粒径为150 μm的颗粒，见图1。

图1 SiO2颗粒扫描电镜图(100×)

1.2实验装置

实验中采用自制的激波驱动气固两相流冲蚀磨损实验装置，该装置主要由激波发生装置、测速系统、高速摄影仪、加热系统及温控系统所组成，见图2。本装置中氮气与驱动段相连，用于产生一定马赫数的激波，驱动段与被驱动段之间用铝膜隔开，实验颗粒置于被驱动段和加速段之间的锡纸上。调节减压阀向激波管驱动段充气，当膜片两端的压差达到某一临界值时膜片突然破裂产生激波，高速气流将带动固体颗粒，通过加速段达到实验所需速度，高速颗粒冲击到试件表面后引起材料失重，从而实现粒子的冲蚀过程[11]。驱动段、被驱动段和加速段分别设有测试高速气流的动态压力传感器、电荷放大器以及动态测试分析仪，用来测试激波速度。实验段中设有高速摄影仪，用于捕捉颗粒运动轨迹。试件台设置有温度加热系统和温度控制系统，能调节实验所需温度[12]。

图2 冲蚀磨损实验装置示图

2 冲蚀磨损实验参数及方法

2.1实验参数

冲击角θ(图3)定义为激波管轴线与试件被冲蚀表面之间的夹角(0～90°)，通过旋转试件台架得到相应的冲击角度。冲击距离L为激波管出口中心与试件表面中心的距离，实验时一般取L为30～50 mm。进行不同冲击角度实验时，需调整激波管的位置，使冲击距离保持一致。

图3 冲击角和冲击距离示图

实验中采用调整铝片厚度的方法来调整实验冲击速度，分别选择厚度为0.13 mm、0.20 mm和0.30 mm的铝片进行冲蚀磨损实验。采用高速摄影仪来记录运动轨迹，通过分析运动轨迹来确定颗粒速度vp：

(1)

式中，Δl为连拍图上颗粒群端部距离，m；Δn为间隔帧数；f为拍摄频率，FPS。

利用高速摄影仪测试150 μm的SiO2颗粒速度，通过更换不同厚度铝膜获得相应的破膜压比，从而得到对应的冲击速度。由测试结果可知不同铝膜厚度所对应的速度，见表1。颗粒速度具体计算方法见文献[13]。

表1 铝膜厚度与颗粒冲击速度关系

2.2实验方法

实验前首先对镍基碳化物采用1000#砂纸进行表面抛光，对试件用超声波清洗机进行清洗，风干称重取平均值。然后将试件固定在试件台上，调节试件角度和激波管与试件距离，开启温控装置并设定实验温度，选取相应厚度的铝片同时加载固体颗粒。打开照明灯，开启动态测试分析仪和高速摄影仪，调节镜头高度，使激波管管口到试件表面距离均处于高速摄影仪的拍摄范围内。打开氮气阀门进行实验，当铝片破裂时立刻关闭阀门，高速摄影仪捕捉实验过程中颗粒的运动轨迹。实验结束时对试件进行冷却、清洗和干燥，用电子天平称重10次记录平均值，同时按式(2)计算冲蚀磨损率。

E=Δmt/mp

(2)

式中，E为冲蚀磨损率，mg/g；Δmt为材料的质量损失，mg；mp为单次冲击颗粒的质量，g。

3 冲蚀磨损实验结果分析与讨论

3.1冲击角度对YG8磨损率的影响

在冲击速度为175 m/s的冲击作用下，通过改变试件的冲击角度，得到了不同冲击角度下试件的冲蚀磨损率，见图4。

从图4可以看出，试件的冲蚀磨损率随着角度的增大先增大后减小，当冲击角度达到75°时冲蚀磨损率达到峰值。实验结果表明，YG8属于典型的脆性材料，在大角度时材料的冲蚀磨损率达到最大，YG8表现出的冲蚀磨损特征符合脆性材料冲蚀磨损率随冲击角度的变化特征。

图4 175 m/s冲击速度下试件冲蚀磨损率与冲击角度关系

3.2冲击角度对涂层冲蚀磨损性能影响

颗粒速度是影响材料磨损率的重要因素，在148 m/s、175 m/s、200 m/s这3种冲击速度下分别对冲击角度为30°、60°、90°的试件进行冲击实验，冲蚀磨损率和颗粒冲击速度变化关系见图5。由图5可以看出，在3种冲击角度下，随着冲击速度的增大，材料冲蚀磨损率均增大。材料发生冲蚀磨损存在一个临界冲击速度，这与磨粒性能和材料的性质有关，只有大于临界速度时才会发生冲蚀磨损。大量的冲蚀实验表明，冲蚀磨损率与磨粒的速度存在如下关系式[14]：

E=kvn

(3)

式中，v为粒子速度，m/s；k为常数；n为速度指数。n的数值越大，说明材料的冲蚀磨损率受颗粒的冲击速度的影响越大[15]。

图5 不同冲击速度下试件冲蚀磨损率与冲击速度关系曲线

将实验数据带入式(3)进行拟合，得到30°、60°、90°这3种冲击角度下，YG8材料的速度指数分别为2.34、2.27和2.28。

3.3冲蚀磨损机理分析

通过对90°冲击角下试件的冲蚀磨损形貌(图6)的分析，可知试件受到的冲蚀磨损主要以冲击作用为主，固体粒子直接冲击在复合层面上。由于碳化钨颗粒和复合层基体的脆性都很大，当遭受高速的固体粒子冲击时更易产生塑性变形或引发裂纹，从而出现凹坑和裂纹。冲蚀过程中磨粒石英砂对表面连续冲击，使表面产生了大量的凹坑，凹坑边缘有变形中挤压出来的材料堆积物，形成唇状凸缘。在粒子不断冲击下，凸缘因反复挤压而剥落。其磨损机制为冲蚀挤压—形成凹坑—材料剥落。作为增强相，WC颗粒的硬度和刚度比石英砂高得多，能较好地抵抗磨粒的冲击作用。在冲蚀磨损过程中，涂层受到磨粒尖角的切削和犁沟作用，从而发生塑性变形，逐渐疲劳剥裂、下凹，突起的WC颗粒承受了磨粒的主要冲击。冲蚀实验前后试件表面元素化学成分见表2。

图6 冲蚀表面电镜扫描图(700×)

表2 冲蚀实验前后试件表面元素化学成分 %

4 结论

(1)随着冲击角度的增大，YG8材料的冲蚀磨损率先增大后减小，冲击角度为75°时冲蚀磨损率达到最大值。YG8材料表现出脆性材料的冲蚀磨损特性。

(2)在30°、60°、90°这3种冲击角度下，YG8材料的冲蚀磨损率都随着冲击速度的增大而增大，通过磨损速度关系式拟合出的对应冲击速度指数分别为2.34、2.27和2.28。

(3)YG8材料的主要冲蚀磨损机理为，高角度冲击下，材料表面产生的变形使Co和WC颗粒从母体剥落产生的凹坑以及高速冲击下材料表面萌生的微裂纹。

[1] 姚梦佳，李春福，何俊波，等.抗冲蚀磨损涂层的研究进展[J].材料导报：纳米与新材料专辑，2015，29(2)： 283-286.

(YAO Meng-jia，LI Chun-fu，He Jun-bo，et al. Progresses of Anti-erosion Coatings[J]. Materials Review，2015，29(2)：283-286.)

[2] 马颖，任峻，李元东，等.冲蚀磨损研究的进展[J].兰州理工大学学报，2005，31(1)：21-25.

(MA Ying，REN Jun，LI Yuan-dong，et al.Development of Research on Erosion of Materials[J]. Journal of Lanzhou University of Technology，2005，31(1)：21-25.)

[3] Rao J S. Application of Fracture Mechanics in the Failure Analysis of a Last Stage Steam Turbine Blade[J].Mechanism and Machine Theory，1998(33)：599-602.

[4] Finnie I. Erosion of Surfaces by Solid Particles[J].Wear，1960，3(2)：87-103.

[5] 董刚，张九渊.固体粒子冲蚀磨损研究进展[J].材料科学与工程学报，2003，21(2)：307-311.

(DONG Gang，ZHANG Jiu-yuan. Developments of Research on the Solid Particle Erosion of Materials[J]. Journal of Materials Science and Engineering，2003，21(2)：307-311.)

[6] 蔡江，魏伟，王海军.超音速等离子喷涂WC-Co涂层的冲蚀磨损机理研究[J].有色金属：冶炼部分，2006(z1)：57-61.

(CAI Jiang，WEI Wei，WANG Hai-jun. Study on Erosion Wear Mechanisms of WC-Co Coatings Prepared by Supersonic Plasma Spraying[J]. Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy)，2006(z1)： 57-61.)

[7] 高杨，牛永吉，史世凤，等.硬质合金的发展及研究现状[J].金属材料研究，2014，40(4)：23-28.

(GAO Yang，NIU Yong-ji，SHI Shi-feng，et al. The Latest Research and Future Development of the Cemented Carbide[J]. Research on Metallic Materials，2014，40(4)：23-28.)

[8] 偶国富，饶杰，章利特，等.超音速气固两相流冲刷磨损试验装置：中国，CN 102288506[P].2013-03-13.

(OU Guo-fu，RAO Jie，ZHANG Li-te，et al. Supersonic Speed Gas-solid Erosion Experimental Device：China，CN 102288506[P].2013-03-13.)

[9] 偶国富，易玉微，金浩哲，等.一种超音速气固两相流高温冲蚀磨损试验装置的试验台：中国，ZL201520205626.6[P].2015-08-12.

(OU Guo-fu，YI Yu-wei，JIN Hao-zhe，et al. A Supersonic Speed Gas-solid with High Temperature Erosion Experimental Device：China，ZL201520205626.6[P].2015-08-12.)

[10] 许斌，杨胶溪.WC/高铬铸铁复合层的组织和耐磨性研究[J].机械工程材料，1999，23(4)：43-45.

(XU Bin，YANG Jiao-xi. Study on the Microstructures and Wear Resistance of WC/High-Cr Cast Iron Composite Layer[J]. Materials for Mechanical Engineering，1999，23(4)：43-45.)

[11] 张晓娜，岳树元，章利特，等.激波驱动的气固两相流力学特性研究[J].水动力学研究与进展：A辑，2008，23(5)：538-545.

(ZHANG Xiao-na，YUE Shu-yun，ZHANG Li-te，et al. Study of the Mechanics of Gas-solid Two-phase Flow Driven by Shock Waves[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics，2008，23(5)：538-545.)

[12] Zheng Z，Ou G，Yi Y，et al. A Combined Numerical-experiment Investigation on the Failure of a Pressure Relief Valve in Coal Liquefaction[J]. Engineering Failure Analysis，2016，60：326-340.

[13] 偶国富，饶杰，章利特，等.一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统[J].摩擦学学报，2012，32(5)：466-471.

(OU Guo-fu，Rao Jie，ZHANG Li-te，et al. A New Solid Particle Erosion Experiment System Driven by Shock Wave[J].Tribology，2012，32(5)：466-471.)

[14] Kleis I，Kulu P．Solid Particle Erosion Occurrence，Prediction and Control[M]．Berlin：Springer Press，2008：1-47．

[15] Sheldon G L，Kanhere A. An Investigation of Impingement Erosion Using Single Particles[J]. Wear，1972，25：195.

(张编)

StudyonErosionWearResistanceofYG8TungstenCarbide

GUXue-dong，WANGChao-ping

(SINOPEC Shanghai Gaoqiao Petrochemical Co. Ltd.， Shanghai 200137， China)

A self-made gas-solid erosion testing experiment driven by shock wave is used to investigate the wear properties of YG8.Different thickness of aluminum are chosen：0.13 mm，0.20 mm and 0.30 mm. By adjusting the particle impact velocity and impact angle to carry out the cobalt-based tungsten carbide(WC-Co) YG8 erosion wear experiments. Combined with scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive spectroscopy(EDS)， the erosion wear mechanism of gas-solid two phase flow was analyzed. The experimental results show that with the increase of particle impact velocity， material erosion wear rate increased. With the increase of particle impact angle，erosion wear rate of materials increases firstly then decreases，when the impact angle is about 75°，the erosion wear rate peaked， WC-Co carbide performance the wear properties of brittle material. The failure mechanism of YG8 material is the pits and crack under the high angle impact，and further lead to the platelets stripped from the materials surface.

tungsten carbide； YG8； gas-solid two-phase flow； erosive wear； experiment research

TQ050.4

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.001

1000-7466(2017)02-0001-05

2016-09-28

中国石化科研项目(CLY14046):S-ZORB高温交变耐磨陶瓷球阀的研制

顾雪东(1969-)，男，上海人，高级工程师，硕士，主要从事石油化工行业的设备管理工作。