启闭机活塞杆表面高焓等离子喷涂Cr2O3·5SiO2·3TiO2/CoNiCrAlY梯度陶瓷涂层性能

程新闯，伏利，陈小明，赵坚，毛鹏展，刘伟，张磊

启闭机活塞杆表面高焓等离子喷涂Cr2O3·5SiO2·3TiO2/CoNiCrAlY梯度陶瓷涂层性能

程新闯1，伏利2, 3，陈小明2, 3，赵坚2, 3，毛鹏展2, 3，刘伟2, 3，张磊2, 3

(1. 绍兴市曹娥江大闸运行管理中心，绍兴 312066；2. 水利部产品质量标准研究所浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，杭州 310012；3. 水利部杭州机械设计研究所水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室，杭州 310012)

为了解决曹娥江大闸期启闭机活塞杆的磨损问题，利用高焓等离子喷涂技术制备黏结层为CoNiCrAlY，面层为Cr2O3·5SiO2·3TiO2的梯度陶瓷涂层，表征和分析了CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂层的微观组织结构、显微硬度、孔隙率、结合强度、冲击韧性、抗磨损性能等，并分析陶瓷涂层的磨损机理。结果表明：涂层的平均孔隙率约为0.52%，平均显微硬度约为1 334.6 HV0.2，结合强度均值达到61.7 MPa，抗摩擦磨损性能约为基体45#钢的87.4倍，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层具有优良的抗磨损性能。Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层磨损机理为磨粒磨损和断裂剥落。利用高焓等离子喷涂CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂层已经在曹娥江大闸启闭机活塞杆上取得了良好的应用效果。

曹娥江；启闭机活塞杆；高焓等离子喷涂；CoNiCrAlY；Cr2O3·5SiO2·3TiO2

启闭机活塞杆是保证闸门正常启闭运行的关键部件，其性能影响到闸门运行的安全可靠性[1−2]。液压启闭机活塞杆基材采用45#钢，长期服役在海水环境中，并且活塞杆表面附着的沙尘、砂粒等杂物，极易造成活塞杆的磨损与腐蚀[3−5]。因此，如何提高启闭机活塞杆的耐磨性和耐腐蚀性意义重大。目前在启闭机活塞杆表面制备陶瓷涂层是解决磨损、腐蚀的重要技术。常用的制备技术主要有电镀铬技术、激光熔覆合金技术和等离子喷涂制备Cr2O3技术等[6−8]。电镀铬技术由于废水中存在大量Cr6+，具有毒性而被逐步取代；激光熔覆合金技术存在熔覆层开裂的问题需要解决[9−11]。目前启闭机活塞杆抗磨防腐常用超音速喷涂NiAl、NiCr涂层作为黏结层，再利用等离子喷涂制备Cr2O3面层技术，由于普通等离子喷涂制备Cr2O3涂层存在孔隙率高、结合力低等问题，并且采用超音速喷涂和等离子喷涂结合工艺增加了设备的投入成本[12−13]。本研究采用高焓等离子喷涂技术制备黏结层和面层，并研究涂层的微观组织结构和抗磨损性能。

1 实验

1.1 材料与涂层制备

黏结层喷涂用粉末为CoNiCrAlY，粉末粒径10～45 μm，粉末各组分质量比例为：Cr-21%，Ni-32%，Al-8%，Y-0.5%，Co-余量；面层为Cr2O3·5SiO2·3TiO2复合粉末，粒度为5～63 μm，粉末各组分质量比例为：Cr2O3-92%、SiO2-5%、TiO2-3%。CoNiCrAlY粉末和Cr2O3·5SiO2·3TiO2粉末形貌如图1所示。

试样板基材为闸门启闭机活塞杆常用材料45#钢，基材尺寸为150 mm×70 mm×5 mm，并将表面打磨平整。用酒精清洗基材表面的油渍、污渍等，然后用喷砂机对其表面做粗化处理，处理后的表面粗糙度达到Ra8-12。喷涂采用SQC-100高焓等离子喷涂系统设备。黏结层和面层均采用等离子喷涂系统制备，CoNiCrAlY黏结层的制备工艺参数：功率85 kW，喷涂距离140 mm；Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层的制备工艺参数：功率92 kW，喷涂距离110 mm，厚度约200 μm。采用MOTOMAN六轴机器人控制喷涂距离、喷枪移动速度等工艺，喷枪移动速度为700 mm/s。

1.2 测试分析方法

将喷涂后的试样板基材切割出10 mm×10 mm的金相试样，先用PRESI热镶嵌机镶嵌试样，再用BUEHLER 自动磨抛机磨抛试样。磨抛后的试样置于光学显微镜中测定试样的孔隙率，测10个不同区域求平均值；置于显微硬度测试仪下测定试样的显微硬度，载荷200 g，加载时间10 s，测10个不同区域求平均值，利用型号为Zeiss Supra 55的FESEM观察试样截面的微观结构。利用型号为PANalyticalX`Pert Powder的XRD对试样做物相分析。根据《热喷涂抗拉结合强度的测定》(GB/T 8642—2002)测试涂层结合力，试样尺寸Ф25 mm，用FM1000薄膜胶黏接，在190 ℃固化，用型号为Smart test 5 t拉伸试验机测试涂层结合强度。

图1 原料(a)CoNiCrAlY和(b)Cr2O3·5SiO2·3TiO2的粉末形貌

冲击韧性测试：先利用自主开发的冲击韧性试验机获得试样的冲击凹坑，实验参数：冲击功== 17.25 J，球重量880 g，冲击高度2 m。将冲击凹坑置于RETC进口光学轮廓仪下观测凹坑直径和深度，对比分析试样和基材的冲击韧性。

2 结果与分析

2.1 涂层微观结构

图2(a)为CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂层断面的微观形貌，由图可知，面层、黏结层、基体三者之间呈锯齿形，涂层界面咬合紧密，结合牢固，并且涂层无明显层状结构。 图2(b)为Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层局部放大图，涂层致密、孔隙少且明显无通孔。CoNiCrAlY黏结层的孔隙率趋近于零，Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层平均孔隙率约为0.52%，平均显微硬度(HV0.2)约为1 334.6，平均结合强度约为61.7 MPa。涂层断裂发生在面层之间，黏结层与面层之间结合良好，这主要由于CoNiCrAlY黏结层的热膨胀系数介于45#钢和Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层之间，具有良好的过渡作用，提高了涂层结合强度，改善了涂层的整体性能。Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层的孔隙率较低、显微硬度较高，是由于高焓等离子喷枪功率高达100 kW、焰流速度高达6马赫[14]，Cr2O3·5SiO2·3TiO2粉末粒子具有较高的动能和焓值。未熔融、半熔融Cr2O3·5SiO2·3TiO2粉末粒子高速撞击基材后，扁平化程度较高，粒子之间咬合紧密，形成的涂层致密度高，涂层显微硬度也随之提高。

图2 涂层截面形貌图

2.2 涂层的结合强度

图3所示为Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层的拉伸断口形貌。从图中可以看出，涂层断裂面凹凸不平，断面处存在大量的圆形韧窝和微裂纹。韧窝主要是由于粉末颗粒以机械结合为主，在拉应力作用下脱落造成的。涂层微裂纹的形成一方面是由于在涂层形成过程中粉末颗粒间存在孔隙，一方面是由于涂层内部热应力释放，还有一方面是涂层中的孔隙、原有的裂纹是涂层中的薄弱环节，在拉应力的作用下，裂纹则沿涂层中的气孔、孔隙、韧窝扩展，导致涂层断裂。

图3 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层拉伸断口形貌

CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂层的平均结合强度约为61.7 MPa，涂层断裂发生在表面层，黏结层与表面层之间结合良好，这主要由于CoNi- CrAlY黏结层的热膨胀系数(约10×10−6/K)介于45#钢热膨胀系数(约12.5×10−6/K)和Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层热膨胀系数(约8.5×10−6/K)之间，具有良好的过渡作用，提高了涂层结合强度，改善了涂层的整体 性能。

2.3 涂层的物相组成

图4为Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层的XRD图谱。由图可知，涂层主要由绿铬矿态Cr2O3、方晶石态SiO2、TiO2组成，Cr2O3在喷涂过程中没有发生分解、氧化；也未与SiO2、TiO2在高温下形成化合物相。涂层保持了原粉末的各项性能，制备的Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层性能稳定，这对涂层工程应用更为有利。

图4 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层XRD图谱

2.4 涂层抗冲击韧性

图5所示为基体与Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层在相同冲击条件下的冲击凹坑图。通过软件分析得到基体45#钢的凹坑深度约50 μm，直径约4.8 mm；Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层凹坑深度约35 μm，直径约4.0 mm。在相同的冲击功下，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层的变形小于基体45#钢，说明了Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层冲击韧性强于基体。冲击韧性的提高有利于启闭机活塞杆的抗磨损性能的提高，可有效抵抗外界杂物的冲击破坏。

图5 基体与Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层试样的冲击凹坑图

2.5 涂层耐磨损性

将试样和基体在同样的条件下进行180 min的摩擦磨损实验后称量质量，CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3Ti-O2梯度陶瓷涂层的质量损失约为0.001 16，基体45#钢的质量损失约为0.101 44，从质量损失来比较，Cr2O3·5SiO2·3TiO2陶瓷涂层抗磨损性能是基体的87.4倍。图6为Cr2O3·5SiO2·3TiO2陶瓷涂层摩擦因数曲线图，曲线在0～100 min内波动较大，一方面是在摩擦初期，涂层表面微凸体导致涂层对磨球产生不规则的振动所致；另一方面是随着摩擦时间的延长，涂层表面微凸体脱落形成的磨削堆积在磨痕表面，导致对磨球产生不规则的振动所致。在100～180 min内摩擦因数曲线逐步稳定在0.35左右，这时磨损处于稳定期。而基体45#钢的摩擦曲线变化范围较大，在0.85～0.55之间，并且出现急剧升高和降低，在实验中观察发现，这主要是由于基体45#钢硬度较低，产生的碎削在对磨球和基体之间出现堆积，从而导致摩擦因数急剧上升，随着摩擦的继续，碎削被磨平或因高温作用消失，导致摩擦因数下降，但从整体看基体45#钢的摩擦因数明显高于Cr2O3·5SiO2·3TiO2陶瓷涂层。通过摩擦学理论可知，较低的摩擦因数代表着较优抗磨损性能。

图7(a)为在低倍下观察Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层磨损后的表面形貌图，从图中可以看到，涂层表面凹凸不平，并伴有因大量的涂层脱落形成的凹坑。这主要是由于Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层本身粗糙度较大，表面存在许多微凸物；涂层与对磨球之间在磨损过程中因表面粗糙度和涂层硬质相Cr2O3、软质相SiO2、TiO2存在产生振动；在磨损过程中软质相先被磨掉，导致硬质相凸出，在长时间摩擦磨损后，硬质相在持续、循环切应力作用下被磨平和剥离脱落形成凹坑。图7(b)为在高倍下观察Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层磨损后的表面形貌图，可以发现涂层表面有较深的沟痕，并伴有微裂纹。这主要是因为在Cr2O3·5SiO2·3TiO2面层中存在一定量的孔洞、夹杂物以及大晶粒等缺陷，涂层在尺寸的压应力作用下，容易在这些缺陷处形成裂纹源，引起涂层剥落形成磨削。另外Cr2O3是一种呈α-A12O3结构的六方晶胞结构[15]，断裂韧性较差，涂层在受到局部的集中应力后断裂而引起脱落，形成磨屑和裂纹，加剧了涂层的磨损。

图6 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层与基体的摩擦因数曲线

图7 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层经过180 min摩擦磨损后表面的SEM形貌照片

Fig.7 Surface SEM morphologies of Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating after180 min friction and wear

3 结论

1) 高焓等离子喷涂方法制备的黏结层为CoNi- CrAlY、面层为Cr2O3·5SiO2·3TiO2的梯度陶瓷涂层致密，涂层平均孔隙率约为0.52%，平均显微硬度(HV0.2)约为1 334.6，平均结合强度约为61.7 MPa， CoNiCrAlY黏结层起到了良好的过渡黏结作用。

2) 通过冲击韧性试验，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层的冲击韧性明显好于基体，该涂层对提高启闭机活塞杆的抗磨损、抗冲击性能具有积极的作用。

3) 通过摩擦磨损实验，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层的抗磨损性能是基体45#钢的87.4倍，该涂层具有优良的抗磨损性能，并且该涂层成功应用到了曹娥江大闸的启闭机活塞杆上，取得了良好的效果。

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Property of high-enthalpy plasma spraying Cr2O3·5SiO2·3TiO2/CoNiCrAlY gradient ceramic coating on the surface of the piston rod of the gate hoist

CHENG Xinchuang1,FU Li2, 3,CHEN Xiaoming2, 3,ZHAO Jian2, 3, MAO Pengzhan2, 3,LIU Wei2, 3,ZHANG Lei2, 3

(1. Operation and Management Center of Cao’e River Sluice, Shaoxing 321066, China;2. Key Laboratory of Surface Engineering of Equipment for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province , Standard & Quality Control Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China; 3. Water Machinery and Remanufacturing Technology Engineering Laboratory of Zhejiang Province, Hangzhou Mechanical Design Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China)

In order to solve the problem of the wear of the piston rod of the gate hoist during the Cao’e river sluice, the high-enthalpy plasma spraying technology was used to prepare a gradient ceramic coating with a bonding layer of CoNiCrAlY and a surface layer of Cr2O3·5SiO2·3TiO2. The microstructure, microhardness, porosity, bonding strength, impact toughness, and wear resistance of the CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating were characterized and analyzed, and the wear mechanism of the ceramic coating was also analyzed. The results show that the average porosity of the coating is about 0.52%, the average microhardness is about 1 334.6 HV0.2, the average bonding strength is 61.7 MPa, and the friction and wear resistance is about 87.4 times that of the base 45#steel. The Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating has excellent anti-wear properties. The wear mechanism of Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating is abrasive wear, fracture and peeling. The CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating has achieved good application effects on the piston rod of the gate hoist of Cao’e River.

Cao’e River; piston rod of gate hoist; high-enthalpy plasma spraying; CoNiCrAlY; Cr2O3·5SiO2·3TiO2

TG174.4

A

1673-0224(2021)05-436-06

浙江省科技计划项目(2019C04019)；浙江省科技计划项目(G C19E090001)

2021−04−06；

2021−06−02

伏利，硕士，高级工程师。电话：0571-88082819；E-mail: fulitop@163.com

(编辑 高海燕)