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用于高压阀门新型WC-10Co-4Cr涂层的研究

时间:2012-09-03 14:59:40  来源:第十四届国际热喷涂研讨会论文  作者:赖允有,邱联昌,杨凤根

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
第十四届国际热喷涂研讨会论文

内容导读:新型WC-10Co-4Cr粉末制备的涂层应用在高压阀门上的效果如何?本文进行了介绍。

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热喷涂粉末(ZYT603D) 与普通WC-10Co-4Cr 热喷涂粉末(ZYT603XS )制备出了厚度约0.35mm 的涂层;通过对该热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:该新型热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:热喷涂粉末;火焰喷涂;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 热喷涂粉末,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热喷涂粉末(ZYT603D)和普通WC-10Co-4Cr热喷涂粉末(ZYT603XS ),其中 ZYT603D热喷涂粉末在原始热喷涂粉末中添加了特制的纳米热喷涂粉末;热喷涂粉末粒度范围均为+15 ~-45µm ,粒度分布曲线和形貌分别如图1 和图2 所示。
图片1.gif图片2.gif  
  从图1 与图2 可以看出,新型WC-10Co-4Cr热喷涂粉末(ZYT603D)与普通 WC-10Co-4Cr热喷涂粉末(ZYT603XS) 都基本呈球形、粒子表面孔隙较多、粒度分布集中。球形热喷涂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240μm(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。
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热喷涂粉末与2#普通WC-10Co-4Cr热喷涂粉末制备的涂层都出现了W2 C 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W2 C 相含量越低,而其余的相与原始热喷涂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热喷涂粉末特定的组织结构,此外该新型热喷涂粉末对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。
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热喷涂粉末(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)热喷涂粉末添加纳米热喷涂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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