用于高压阀门新型 WC-10Co-4Cr 涂层的研究
赖允有，邱联昌，杨凤根等
第十四届国际热喷涂研讨会论文
摘 要：采用 JP8000 型超音速火焰（HVOF）喷涂设备，在高压阀门基体上用新型的 WC-10Co-4Cr粉末(ZYT603D)与普通 WC-10Co-4Cr 粉末（ZYT603XS）制备出了厚度约 0.35mm 的涂层；通过对该喷涂粉末及其形成涂层后的各项性能进行测试和分析，结果表明：该新型喷涂粉末的球形度好，具有高的流动性；形成的涂层组织具有致密、硬度高、韧性适中、耐高压等优良性能。
关键词：JP-8000；涂层；WC-10Co-4Cr；耐高压
引言
热喷涂技术具有广泛的应用领域，与其他技术相比，有许多优越性[1]。20世纪80年代出现的超音速火焰喷涂更促进了热喷涂技术的发展，扩大了其应用领域。如在石油、化工、冶金和城市建设中得到了广泛的应用[2]。通过选用不同的材质，金属硬密封阀门可以适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸和尿素等多种介质。采用超音速火焰喷涂技术对工件进行喷涂处理，能在工件表面形成碳化物金属涂层，涂层与基体结合强度高，涂层具有硬度高、组织均匀致密、气孔率低、耐磨、耐蚀等优良的物理化学性能，因此可以显著提高工件的使用性能。然而石油行业中目前超高压系统中的超高压阀门性能直接影响整个系统工作的可靠性、安全性、工作效率和使用寿命。涂层如何在高压阀门高压情况下，能保证密封的质量，就对涂层的要求相当的高。因此我公司采用JP8000型HVOF喷枪设备，在高压阀门上喷涂了新型WC-10Co-4Cr粉末，并对涂层的组织结构与力学性能进行了测试分析，以满足碳化钨涂层能在高压阀门的性能要求。
1.试验材料及方法
1.1 试验材料
喷涂材料均为赣州章源钨业新材料有限公司生产的新型 WC-10Co-4Cr 粉末（ZYT603D）和普通 WC-10Co-4Cr 粉末（ZYT603XS），其中 ZYT603D 粉末在原始粉末中添加了特制的纳米粉末；粉末粒度范围均为+15～-45μm，粒度分布曲线和形貌分别如图 1 和图 2 所示。
从图 1 与图 2 可以看出，新型 WC-10Co-4Cr 粉末（ZYT603D）与普通 WC-10Co-4Cr 粉末(ZYT603XS)都基本呈球形、粒子表面孔隙较多、粒度分布集中。球形粉末可保证粉末喷涂时具有良好的流动性，粒度分布集中可避免出现小颗粒过熔而发生粘枪现象，颗粒表面孔隙较多可使其与环境气氛接触面积较大，便于加热，熔融和半熔融的粒子撞击基体时变形充分，有利于制备出致密、孔隙率低的涂层。
1.2 涂层制备
采用 Praxair 公司最新的 JP8000 型 HVOF 设备（枪管长度为 150mm），在高压阀门基体表面进行喷涂，燃料为航空煤油，助燃气为氧气，送粉载气为氮气。喷涂前对试样进行除油、除锈，然后采用 240 μm（60 目）白刚玉砂进行粗化处理，最后将待喷涂的试样在特制的夹具上一次装夹、喷涂（涂层设计厚度为 0.35mm）。结合相关文献[3]和实际喷涂经验，优化后的喷涂工艺主要参数如表1 所示。
表 1 中煤油流量、氧气流量都较高，横向速度达到 500m/s，这样将有利于形成比较致密的涂层。喷涂后将对涂层的各项性能进行测试并分析。
2 相结构分析、组织观察与孔隙率测试
2.1 相结构分析
用线切割机加工出尺寸为 10mm×10mm×5mm 的涂层试样，在 SIEMENSD 5000 型 X 射线衍射仪上对涂层进行 XRD 衍射试验，阳极靶为 Cu 靶，扫描角度从 10°到 90°，管压 35KV，管流 30mA，积分时间 0.2 秒，采样间隔 0.02 秒。实验所得新型 WC-10Co-4Cr 涂层与普通 WC-10Co-4Cr 涂层的X 射线衍射图如图 3 所示。
由图 3 可知，用 1#新型 WC-10Co-4Cr 粉末与 2#普通 WC-10Co-4Cr 粉末制备的涂层都出现了W2C 相，但是新型 WC-10Co-4Cr 涂层比普通 WC-10Co-4Cr 涂层衍射峰更低，衍射强度更小，涂层中 W2C 相含量越低，而其余的相与原始粉末的物相基本一致，这表明采用超音速工艺喷涂该新型WC-10Co-4Cr 粉末的涂层时，WC 不易被氧化，这种现象可主要归因与该粉末特定的组织结构，此外该新型粉末对 JP8000 高参数喷涂适应性良好，更高的焰流速度，减少了原始粉末中的 WC 硬质相与氧接触的机会，避免出现氧化脱碳，从而能很好地沉积到涂层中，这有利于制备的涂层获得较高的硬度等综合性能。
2.2 组织观察与孔隙率测试
截面金相组织观察：用线切割机加工出尺寸为 10mm×14mm×5mm 的涂层试样，经过镶嵌、初磨和抛光，然后在 GX51 型奥林巴斯金相显微镜对涂层试样截面进行金相组织观察。孔隙率测试：使用 IQmaterials 图像分析软件，依次导入涂层截面典型金相照片，采用灰度法测试孔隙所占视场的面积百分比，将测试的 10 个视场孔隙百分比的平均值作为涂层的孔隙率。
图 4 为试样涂层截面的金相照片，可以看出使用 HVOF 制备的 WC-10Co-4Cr 涂层孔隙率较低，结构致密，涂层无明显层状结构，界面结合较好，采用灰度法测量涂层孔隙率均在 1.5％以下，新型WC-10Co-4Cr 涂层孔隙率在 1％以下。这是由于在喷涂过程中，喷涂粒子在到达基体时具有很高的动能和热焓值，对基体的表面撞击作用强，使得涂层颗粒能融入基体内部，让涂层与基体之间能紧密结合（结合强度在 68.5Mpa 以上，见小节 3.1）。
3 力学性能测试与结果分析
3.1 涂层结合强度
结合强度测试：拉伸试样尺寸为φ25×30mm，试样结合面采用E-7胶粘接后，固定在特制的夹具上，并一起放入电热干燥箱中，在100℃下保温3小时。采用计算机控制的WDW-E200万能电子拉伸实验机，按照GBT8642-88标准进行涂层的结合强度试验。
两种试样拉断时的抗拉强度在 68.5～70.6Mpa 之间，而且每次断裂都是出现在胶接面，可见实际的涂层结合强度高于胶接面的强度，要至少高于最高值 70.6Mpa。说明该涂层界面结合很好，具有较高的结合强度。
3.2 涂层显微硬度、开裂韧性和单道次沉积厚度
显微硬度测试：用线切割机加工出尺寸为 10mm×14mm×5mm 的涂层试样，经过镶嵌、初磨和抛光，然后用沃伯特 401MVA 型显微硬度计测试涂层截面上 10 个点的显微硬度，实验载荷为 300g，压力保持时间为 10s，硬度结果取 10 个点的平均值。
开裂性测试：将涂层试样镶嵌、打磨并且抛光，采用小负荷维氏硬度计（将硬度计的载荷调整到 5kg），在涂层截面的中间每隔一定距离打一个压痕对角线平行于涂层表面的压痕。在光学显微镜下测量压痕对角线长度的一半 a 和压痕裂纹长度 c。
计算涂层的开裂韧性应确保两次压痕产生的裂纹不相互重合干涉。单道次沉积厚度测试：在送粉率、喷枪相对于工件的移动速度和步距恒定的条件下，用涂层的总厚度除以喷涂的道次即可得到涂层单道次的厚度。涂层单道次的厚度可以反应粉末的沉积率，同时对于控制涂层质量更有意义。采用 JP 系列 HVOF 喷枪单道次涂层厚度一般应该控制在 10μm～15μm 的范围内，单道次沉积厚度太少一方面影响喷涂效率，另一方面也会增加涂层的界面污染；单道次沉积厚度太厚会带来较大的应力，容易使涂层出现裂纹。
采用新型粉末制备的WC-10Co-4Cr （ ZYT603D ）涂层与普通粉末制备的WC-10Co-4Cr(ZYT603XS)涂层的显微硬度、开裂韧性和单道次沉积厚度的均值和标准偏差如表 2 所示。
由表 2 中可以看出，使用该新型 WC-10Co-4Cr 粉末制备的涂层显微硬度高，且硬度更均匀，平均硬度达 HV0.31460.6。开裂韧性平均值超过 5Mpam1/2，达到并超过了文献[5]报道的一般 WC/Co 涂层的开裂韧性;而普通 WC-10Co-4Cr 粉末制备的涂层平均硬度在 HV0.31295.9，开裂韧性平均值较低，只有 3.42 Mpam1/2。说明普通粉末涂层在高参数下开裂韧性比较差，而该新型粉末涂层的硬度开裂韧性均匀性能都更有优越，分析认为，在同等情况下，粉末晶粒度越细，制备出来的涂层晶粒也越细小，细晶强化作用越强，此外晶粒越细小，喷涂受热越充分，在基材表面扁平化行为越容易发生，所以涂层更加致密，硬度会更高，粉末越细，与粗晶粒相比，晶粒取向更为均匀，整体上各向异性减弱，从而避免了过早出现应力集中引起的开裂，同时位错受阻不易移动，只是它吸收了较大的冲击功，也能提高涂层韧性，此外 JP8000 系统高温高速焰流制备出的涂层残余压应力越大，涂层没还没屈服时，在压应力与拉应力交界外，残余压应力有助于抑制微裂纹的扩展，从而提高了开裂韧性。
3.3 耐压试验
耐压试验装置为自制设备，试验装置示意图如图 5 所示。耐压测试步骤：a. 启闭件处于微开启状态，给体腔充满试验水，并逐渐加压到 15000psi，保压时间分别为 3min，3min，12min；b. 关闭启闭件，释放阀门的压力；c. 检查阀门在保压 15000psi时，阀门是否冒汗渗漏。耐压测试结果如表 3 所示。
由表 3 可以看出，当阀门承受高达 15000psi 的压力、保压 3min 时，阀门均没有发生泄漏现象。当保压 12min，新型 WC-10Co-4Cr 涂层没有泄露，普通 WC-10Co-4Cr 涂层泄露。这说明阀门喷涂新型 WC-10Co-4Cr 粉末形成涂层后，具有更好的耐压性能。这是由于涂层具有更高的硬度和韧性，因此能保证具有该涂层的阀门在高压状态下不泄露。
4.结论
（1）超音速火焰喷涂时涂层与基体材料间存在相互渗透，新型 WC-10Co-4Cr（ZYT603D）涂层的硬度和开裂韧性都优于普通 WC-10Co-4Cr(ZYT603XS)涂层。
（2）在 JP8000 型煤油喷枪上喷涂新型 WC-10Co-4Cr 粉末(ZYT603D)过程中 WC 不易发生氧化分解，原始粉末中的绝大多数 WC 硬质相能很好地沉积到涂层中，形成具有最佳性能的涂层。
（3）涂层结构非常致密，气孔率在 1.5％以下；新型 WC-10Co-4Cr（ZYT603D）粉末添加纳米粉末制备的涂层不仅具有高硬度，同时还具有比一般涂层较高的开裂韧性，保证了形成涂层的性能质量。
（4）阀门在喷涂新型 WC-10Co-4Cr（ZYT603D）粉末后，能承受高达 15000psi 的压力、保压3~12min 时，都没有发生泄漏现象，说明其具有比一般阀门更好的耐压性能。
参考文献略
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