抗气蚀材料的设计与涂层工艺研究
程旭东,邓世均,潘 牧,罗志平,陈 筠
武 汉 理 工 大 学 学 报
摘 要: 设计了P1731、P1732、P3421 3种抗气蚀涂层材料,采用等离子喷焊工艺在921钢基体上制备焊层,与1Cr18Ni9Ti、921钢在配制的人工海水中进行振动空蚀试验。结果表明:3种涂层材料均比1Cr18Ni9Ti、921钢抗空蚀能力提高3倍以上。同时对其中2种材料的成分组成、结构特点、SEM形貌、电极电位等方面进行分析,总结了抗气蚀涂层材料优异的抗空蚀性能。
关键词: 表面工程; 热喷涂技术; 振动空蚀; 纳米复合材料; 涂层性能
气蚀现象一般发生在流体中高速相对运动的部件,如水轮机过流部件、船舶的螺旋桨叶片表面等。气蚀一旦在材料表面产生就会首先在局部形成蜂窝状蚀坑,如果气蚀与泥沙的冲刷磨蚀联合作用就会造成材料的强度急剧下降,达不到预期的使用寿命[1,2]。由于气蚀和磨蚀均由材料表面产生,采用表面工程技术制备复合涂层,是强化材料表面结构提高抗气蚀的有效途径之一[3]。设计研制了3种新型抗气蚀涂层材料,同时研究了相应的涂层制备工艺技术,通过涂层结构的观察分析以及与传统的1Cr18Ni9Ti、921船用钢进行抗气蚀性能的测试对比,为抗气蚀材料的进一步研究提供基本依据。
1 涂层材料设计
根据有关抗气蚀材料的性能比较,在材料设计中综合选择既要韧性强度好,又要具有一定的硬度抗泥沙的磨粒磨损,并且满足涂层工艺要求。由此设计的3种等离子喷焊工艺的粉末涂层材料,其化学成分见表1。
采用先进的微机等离子喷焊设备将上述3种材料分别在船用921钢板上制备2mm厚的焊层,参照“GB6383-86振动空蚀试验方法”[4]进行“人工海水振动空蚀试验”(见表2),按ASTM关于人工海水配制的规定配制。由于P1732合金等离子喷焊工艺性能较差,焊层成型困难,未继续进行全面试验和测试。
2 结果与讨论
2.1 材料抗空蚀性能分析
图1为研制的P1731、P3421焊层与1Cr18Ni9Ti、921钢的均经2 h的振动气蚀后放大600倍的SEM形貌照片。从照片中可见,1Cr18Ni9Ti表面布满了密集的气蚀点,而P1731表面仅在局部有划痕的地域出现气蚀点。从点的数量和分布面积来看,P1731焊层的抗气蚀性能远优于1Cr18Ni9Ti整体材料。所有的蜂窝状空蚀点均富集在焊层的划痕处,随着时间的增加,逐渐扩大,并向纵深发展。
图2为P1731、1Cr18Ni9Ti放大3 500倍和921钢放大2 000倍的气蚀穴坑处形貌。可见晶粒的晶界被淘空使晶粒凸现,造成晶粒失去支撑而坍塌成穴坑的。进行的P1731、P3421、1Cr18Ni9Ti和921钢4种材料的空蚀试验表明:在空泡强大的交变应力作用下,材料表面的薄弱处如晶界,首先由于反复塑性变形形成加工硬化,在晶界由于相邻两相的晶体结构不同,造成塑性变形不协调,相界附近会出现大量的位错塞积,位错积累在晶界形成高应力场,继而产生裂纹导致晶界脆性组织断裂和脱落而成为气蚀源,裂纹在空泡溃灭产生的应力作用和微射流冲击下,裂纹沿微射流作用力方向在晶界脆性组织上进一步将其撕开,暴露出无依托的晶粒极易被剥离造成气蚀穴坑[5]。
在表1中,分别设计了Fe、Ni为基相的3种适合等离子喷焊粉末材料。由于设计加入定量的Mo、Cu对细化材料晶粒结构有重要的作用,晶粒粒径的减小导致晶界增多,晶界内析出的有害元素少。起到了强化晶界的作用。P1731和P3421中Cr的含量均占30%～36%,其主要作用是使Fe基相处于钝化状态而提高耐蚀性能,并作为固溶元素强化镍基和铁基基相结构。而1Cr18Ni9Ti属固溶强化的马氏体不锈钢,其延展性优于921低合金高强度钢,它们一般作为过流部件均考虑材料的结构使用性能,由于缺乏上述喷焊层具有的晶界强化特性,振动气蚀时晶界易形成疲劳裂纹导致裂纹的快速出现,特别是921钢晶粒相对粗大,一旦气蚀产生导致大晶粒脱落,形成大而深且多的空蚀点,致使材料快速失效,但采用此类钢作结构基材,在其上喷焊抗气蚀焊层则不失为较佳选择[6]。
空蚀试验结果表明:气蚀现象的形成不是由腐蚀介质(如人工海水)为主要因素引起的均匀腐蚀或局部腐蚀,而是由于高速液流产生的空泡在材料表面反复的爆裂产生高强度疲劳应力造成的。在抗空蚀材料的设计中,首先考虑材料自身必须有高的抗疲劳强度即高的强韧性(含有泥沙冲蚀的复合空蚀状况还需考虑抗磨损性),尤其是对材料薄弱区域——晶界的强化,不给气蚀的形成提供任何可乘之机;其次则必须有良好的抗腐蚀性能(点蚀区域也是气蚀萌生区域),还要有良好的等离子喷焊工艺适应性和机械加工性能,加上材料的经济性等因素综合考虑。
2.2 焊层工艺与结构分析
根据有关研究表明:空泡在材料表面反复爆裂产生高强度疲劳应力作用点一般波及表面纵深30～50μm处,其作用的疲劳应力有关文献分析可高达100 MPa以上,且空泡溃灭产生的高速微射流可撕裂材料表面任何缺陷和裂纹。抗气蚀整体材料如前所述,一般均选用固溶强化的合金制成。此外采取外加涂层措施也可抵御空蚀的作用,目前,实际应用的涂层有:电镀硬铬层、聚氨酯弹性体层、电弧喷涂层、氧乙炔喷焊层和等离子喷焊层[2,7,8]。涂层的特点与性能对比见表3。
由于等离子喷焊层与基体材料属冶金结合,一次焊层厚度可达2～3 mm,对大型水轮机等部件热影响区小,焊层冲淡率低。且焊层材料从经济角度和实用性考虑,可选用多种强化机制并存低氧含量的镍基或铁基粉末涂层材料。目前尚不能令人满意的是,可移动式现场等离子喷焊设备的研制以及不规则型面施焊工艺等方面未能获得有效进展,现场喷焊的条件还受到某些限制。近期关于采用超音速火焰喷涂(high velocity oxygen fuel,HVOF)WC/Co涂层材料抗气蚀和泥沙冲蚀共同作用的研究报道引起人们广泛的兴趣和密切关注,若采用比表面积大的纳米级涂层材料结合复合涂层设计可能是抗气蚀涂层材料及工艺技术发展的一个方向[9]。
采用等离子喷焊的P1731、P3421合金焊层的金相照片见图3。从图3中可以看出:2种合金焊层的显微结构均为快速凝固而形成的典型柱状晶焊层组织,由γ相奥氏体和少量的共晶相组成。在P1731合金中,由于Cr等元素含量高,γ相发生强烈的晶格畸变而形成充分的固溶强化,合金的强韧性极好。P3421合金属一种改进型的不锈钢,Cr含量达30%,Ni+Co含量达24%,合金中过量的Cr和C能充分固溶于NiCo和Fe基体中。此外,Co与Si能降低结构的堆垛层错能,故上述元素的加入能显著提高合金的抗气蚀性能和抗滑移性能。
2.3 焊层性能及机加工影响
为了验证抗气蚀合金材料设计的正确性,对等离子喷焊层进行了各项性能的检测,测量结果列于表4。从表4的性能数据可知,2种材料焊层的结合强度均高于300 MPa,层厚达1 mm以上,证明冶金结合材料完全满足抗气蚀要求。此外,该2种材料属镍基和不锈钢类型,也不存在文献[5]中所述的空蚀现象。而且它们的电极电位VSCE分别为-0.19和-0.45,均低于钢铁基体的电位,在水中长期运行起到了阴极保护基体的作用。
3 结 论
a.研究的P1731、P3421、P1732等离子喷焊抗气蚀涂层晶粒组织细并具有高的抗疲劳强度即高的强韧性,振动空蚀试验性能优于1Cr18Ni9Ti和921钢整体结构钢。
b.3种涂层粉末材料的强化结构设计是以Fe、Ni基合金为基相,加入Mo、Cu细化材料晶粒结构,从而减小晶粒粒径,导致晶界内析出的有害元素少,起到了强化晶界的作用。而Cr的高含量则主要是作为固溶元素强化镍基和铁基基相结构。
c.P1731、P3421等离子喷焊层属镍基和不锈钢材料,抗腐蚀性能好,且电极电位较低,对涂层和基体均能起到保护作用。
d.等离子喷焊工艺制备的焊层与基体结合强度高达300 MPa以上、焊层致密表面无任何缺陷和裂纹。可承受空泡爆裂产生高强度疲劳应力及高速微射流的撕裂作用,工艺技术适应于现场关键部位的喷焊操作。
参考文献略
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