采用超音速火焰喷涂制备抗高温氧化、磨损涂层的研究及应用

高海青，乐有树，李运初

1.广东省新材料研究所，广东 广州 510650；2.广州市天河区金棠表面工程技术有限公司，广东 广州 501640；3.广东开放大学，广东 广州 510091

高压主汽门是火力发电厂的重要设备之一，主汽门的功能是在需要时起到紧急阻断进汽的作用，是汽轮机防止超速的最关键保护装置．高压主汽门、调节门的卡涩事件屡见不鲜，最常见的是高温产生的氧化皮造成阀杆与阀套间的卡涩，以及高压主汽门、调节门阀套、阀杆同心度改变，使动静间隙消失而造成的卡涩．同时，高温产生的氧化皮还能造成阀杆表面划伤磨损．金属高温氧化现象是普遍存在的，由于结构上的原因，高压主汽门对蒸汽介质有节流调节作用，这是加速金属氧化的一个重要因素[1]．

处理高压主汽门氧化皮卡涩的常规措施，就是大修时将阀座少量的氧化皮用金相砂纸抛光并清理干净、阀芯密封面上的灰白色鳞片状氧化皮用车床去除、阀杆与阀杆套表面及接触面的灰色鳞片状氧化皮用砂纸打磨．用车床或用砂纸打磨去除氧化皮的方法，可使阀芯和阀芯套筒之间恢复正常间隙，但这样处理只是临时性的解决了问题，机组在运行过程中还会重新产生氧化皮，往往一个大修期还没到就又会产生卡涩，给机组的安全运行带来隐患，而且打磨抛光的次数多了，阀杆、阀套等尺寸会变小，造成他们之间的间隙变大，从而使阀门失效并报废，这也会造成较大的经济损失．

热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面而形成覆盖层的工艺[2]．热喷涂工艺操作简便，涂层材料种类多．特别是高速热喷涂设备的相继问世，如高能等离子喷涂、超音速火焰喷涂( HVOF，HVAF) 设备的出现，使得热喷涂涂层孔隙多、结合强度不高的弱点得以克服，涂层质量有了质的飞跃．特别是超音速火焰喷涂技术(HVOF及HVAF)，其制备的涂层孔隙率小于1%，结合强度大于70 MPa，涂层沉积率高[3]．研究结果表明[4-5]，热喷涂涂层不但能加工到像镀铬层一样的镜面光洁度，而且在硬度及耐磨性能等方面还超过镀铬层，在很多场合完全可以取代电镀硬铬．

广州市天河区金棠表面工程技术有限公司与粤电集团的多家电厂合作，根据主汽门的使用工况开发了一种抗高温氧化磨损涂层．该涂层采用超音速火焰喷涂工艺制备，在850 ℃下不产生氧化皮，而且硬度高、耐磨性能好，可以从根本上解决主汽门因高温氧化磨损产生的卡涩问题．

1 试 验

1.1 试样制备

试样基体材料为与主汽门材质相同的2Cr12NiMoWV不锈钢，试样尺寸为标准的硬度试样及杯突试验试样和金相试样．选用自主研制的NiCr-Cr3C2热喷涂粉末，其粒度为15～45 μm，具体成分列于表1．

表1 NiCr-Cr3C2粉末组成成分

首先对基体表面进行除油清洗及喷砂粗化，然后用美国进口的Jet-Kote Surface SystemⅡ型HVOF超音速火焰喷涂设备制备NiCr-Cr3C2涂层，涂层厚度为0.1～0.2 mm，喷涂工艺参数列于表2．用于摩擦磨损试验的涂层表面需先用金刚石砂纸磨样，抛光至表面粗糙度0.8 μm以下．

表2 喷涂工艺参数

1.2 试验方法

用LEICA DMIRM型倒置式金相显微镜,对涂层表面及截面的微观结构进行观察;基于涂层截面金相照片，用Q550 MW图象分析仪测定涂层的孔隙率．在GP-TS2000M型万能试验机上进行杯突和结合强度的测试，用直径20 mm的钢球，以6 mm/min的速度向杯突板无涂层面压入10 mm的深度，观察突出部分的表面情况，按照标准ASTM C633进行结合强度的测试．用MH-5D型数字显微硬度计测试涂层横截面的显微硬度，加载载荷为300 g，加载时间为15 s．用UMT-3型摩擦磨损试验机对基体(2Cr12NiMoWV不锈钢)和NiCr-Cr3C2涂层的摩擦磨损性能进行测试，样品台转速为200 r/min，载荷为5 kg，高温(570 ℃)摩擦副为直径4 mm的Si3N4陶瓷球，时间为20 min．

2 结果与讨论

2.1 涂层的微观结构

图1为NiCr-Cr3C2涂层金相组织形貌．从图1可见，该涂层致密、均匀，无污染物涂层的孔洞、未熔颗粒等均满足要求．经测算，涂层的孔隙率为0.6%～0.7%．

图1 NiCr-Cr3C2涂层金相组织形貌Fig.1 NiCr-Cr3C2 coating metallographic organization

图2 NiCr-Cr3C2涂层杯突表面形貌Fig.2 Erichsen test images of the NiCr-Cr3C2 coating

2.2 力学性能

在GP-TS2000M型万能试验机上进行杯突和结合强度的测试，观察突出部分的表面情况，要求目视允许有可见的毛细裂纹，不允许出现涂层与基体分离的现象．图2为NiCr-Cr3C2涂层杯突试验后的表面形貌．从图2可见，涂层表面整体连续均匀，只有可见的毛细裂纹，无涂层剥离现象，这说明NiCr-Cr3C2涂层韧性较好．

表3为NiCr-Cr3C2涂层的结合强度及显微硬度试验结果．由表3可知，NiCr-Cr3C2涂层结构致密，界面状态很好，与基体结合强度高，平均硬度值高达860 Hv以上．

表3 NiCr-Cr3C2涂层的结合强度及显微硬度Hv(0.3，15)值

2.3 涂层高温摩擦磨损性能

对基体和NiCr-Cr3C2涂层进行高温摩擦磨损测试，结果列于表4．由表4可知，基体与涂层的摩擦系数相近，但是两者之间的磨损程度存在明显差异，基体磨损失重达到14.4 mg，而涂层失重为1.7 mg，仅为基体的11.8%．表明，在主汽门零部件表面制备NiCr-Cr3C2涂层，可以显著提高零件的耐磨性能．

表4 高温摩擦磨损测试结果

图3为高温下NiCr-Cr3C2涂层的摩擦系数曲线．从图3可见，NiCr-Cr3C2涂层磨合磨损过程较长，这是由于涂层表面存在未熔融或半熔融微凸体而较为粗糙．当磨球与涂层表面刚接触时，实际接触面积远远小于名义接触面积，在微观应力的作用下微凸体的形变使得阻力增加．当磨球与涂层表面的接触面积随时间增加而逐渐变大时，摩擦系数亦趋于稳定，在测试后期摩擦系数有下降的趋势，说明该涂层具有较好的抗高温摩擦磨损性能．

图3 高温下NiCr-Cr3C2涂层的摩擦系数Fig.3 Friction coefficients of NiCr-Cr3C coating

图4为高温摩擦磨损试样．从图4(a)可见，无NiCr-Cr3C2涂层试样的磨损区域磨痕宽度较大，表面凹凸不平．这是由于在高温环境下，2Cr12NiMoWV不锈钢基体出现软化，使粘着趋势上升而抗高温断裂的抗力降低．在载荷的不断作用下基体发生塑性变形，在基体内部缺陷处萌生裂纹并扩展，进而在磨痕的中心部形成剥落蚀坑，在边缘可见材料因塑性变形而挤压的痕迹．从图4(b)可见，有NiCr-Cr3C2涂层的试样表面比较平整且磨损区域磨痕较窄，磨损较少，表明有NiCr-Cr3C2涂层试样表面摩擦磨损后的失重小，进一步说明该涂层具有较好的抗高温摩擦磨损性能．

从NiCr-Cr3C2涂层的性能和高温磨损试验结果来看，说明采用超音速火焰喷涂制备NiCr-Cr3C2防护涂层，可以有效的解决主汽门的卡涩、磨损及划伤问题．

3 工艺应用

广州市天河区金棠表面工程技术有限公司在2010年对粤电集团某电厂的主汽门阀帽进行表面强化，采用超音速火焰喷涂技术制备NiCr-Cr3C2涂层．首先对主汽门阀帽磨损、卡涩的部位进行车削加工，去除表面氧化皮及其它杂质，再对阀帽的车削部位进行清洗及喷砂净化处理，然后采用热喷涂技术在阀帽车削部位表面制备NiCr-Cr3C2涂层，最后对阀帽表面的NiCr-Cr3C2涂层进行磨削加工及抛光处理，达到所要求的尺寸精度和表面粗糙度．采用上述工艺进行表面强化的阀帽，在火电厂使用一个大修周期后，拆开主汽门检查发现，主汽门阀帽表面的涂层完好，没有产生氧化皮，没有磨损、划伤(图5)．

图4 高温摩擦磨损试样Fig.4 High temperature friction and wear sample(a) 2Cr12NiMoWV不锈钢试样；(b) NiCr-Cr3C2涂层试样(a)2Cr12NiMoWV stainless steel sample；(b)NiCr-Cr3C2 coating sample

图5 使用一个大修周期后的主汽门阀帽(喷涂NiCr-Cr3C2涂层)Fig.5 The main valve capafter using a major repair period(spraying NiCr-Cr3C2coating)

4 结 论

采用超音速火焰喷涂制备的NiCr-Cr3C2涂层致密性好、硬度高、与基体的结合强度高，高温韧性和抗高温氧化性能好．该涂层在高温下摩擦磨损性能大大优于2Cr12NiMoWV不锈钢，表明该涂层可以应用于抗高温氧化与耐高温磨损的环境中．

采用超音速火焰喷涂技术在火电厂高压主汽门阀帽、阀芯等零部件表面制备一层NiCr-Cr3C2涂层进行表面强化，解决了火电厂因高温氧化及摩擦磨损、划伤造成的主汽门失效问题，延长主汽门的使用寿命，为火电厂节约了成本、提高了生产效率．