纳米WC12Co涂层在轴流式引风机叶片防磨上的研究

　　纳米WC/12Co涂层在轴流式引风机叶片防磨上的研究范毅彰雄张云乾（武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063）叶片抗冲蚀涂层的比较，研宄分析了两种涂层的显微硬度。金相结构。结合强度和抗冲蚀磨损性能。结果表明：超音速火焰喷涂WC/12Co涂层性能优于传统抗冲蚀涂层，其中纳米结构涂层性能更加优越。

　　轴流式引风机具有体积小、占地少、重量轻、效率高等优点，因此多将其用作输送烟气的锅炉引风机。动叶可调轴流式风机的叶片材料采用锻铝和锻钢，引风机一般选用锻钢，如轴流式引风机叶片选材有304不锈钢和14MnMoVBRe等。烟气中含有大量的SiO2，Al2O3和Fe2O3等高硬度的矿物质，它们对叶片会产生强烈的冲蚀磨损。再加上国内燃煤灰分高，除尘器实际效率低，导致飞灰浓度高，磨损就更为严重。叶片磨损后，风机效率降低，出力下降，产生振动，严重时造成叶片断裂、主轴弯曲。磨损严重而检修频繁也使得维修费用显著加。因此，叶片的磨损是影响引风机安全运行和叶片使用寿命的主要问题111.国内外对于延长风机叶片使用寿命采用过表面化学热处理、表面涂覆、表面堆焊、表面陶瓷复合等工艺方法，目前应用广泛的表面处理方法有热喷熔和电弧喷涂。超音速火焰喷涂由于具有喷涂粒子的飞行速度高、冲击能量大、火焰温度低、涂层致密及结合力高等特点，自20世纪80年代发明以来得到了迅速的发展及应用，特别适合于喷涂WC/ Co，NiCr/Ci'3C2等金属陶瓷材料的喷涂1241. 100nm）材料因其不同于传统材料的性能和极大的潜在应用价值，为各行业研究和开发应用。利用热喷涂技术制备纳米结构涂层，改进材料表面特性，是热喷涂技术的一个重要发展方向。纳米的粉体经过重新加工，制备成适合热喷涂的大颗粒（微米级）粉末，通过超音速火焰喷涂，可制备出含纳米晶粒结构的涂层，涂层的抗磨损、韧性、硬度等性能比常规材料有很大提高151.在本研究中，将针对轴流式引风机上的工况，采用HVOF喷涂方法制备出纳米结构及微米结构的WC/12Co涂层，通过显微硬度、冲蚀试验、金相组织结构分析，研究其涂层性能，为纳米结构WC/Co的HVOF涂层在轴流式引风机叶片上的应用提供理论根据。

　　1试验方法1.1喷涂材料超音速火焰喷涂的材料为由美国NEI公司生产的纳米结构的WC/12C粉末和国产的微米WC/12C粉末。，2为两种粉末的扫描电镜（SEM）图像，由图可以看到，采取团聚法制备、平均粒径为29Mm的纳米结构WCA2Co粉末中，纳米粉体均匀、致密地组成一粒粒颗粒，颗粒外型规则，呈球形或椭圆球形，这些保证了送粉时具有较好的流动性161.微米结构WCA2C.粉末的粒径为10~45Mm，颗粒外型不规则，多呈多角形和块状。

　　纳米结构WC/12G）粉末电镜图像微米结构WC/12G）粉末电镜图像在本研究中选择了典型的火焰喷熔层与电弧喷涂层作为对比，试验材料如表1所示。火焰粉末喷熔的材料为NiWC35，SNi46，Ni60，SNi67等几种自熔性合金粉末，电弧喷涂的材料为颗粒强金属基复合材料LX88A.表1试验喷涂材料涂层编号材料种类主要化学成分（％）涂层制备方法纳米结构WC/12Co微米结构WC/12Co火焰喷熔电弧喷涂1.2试样制备HVOF喷涂层的制备采用Ti-I3200CY超音速火焰喷涂设备。喷涂试样基体材料为Q235，在喷涂前对试样进行了表面预处理。先采用酒精或丙酮对工件进行清洗，去除工件表面的油污和其他杂质，随后采用100目的白刚玉，使用射吸式喷砂机对试样待喷涂表面喷砂进行粗化处理。喷涂时的工艺参数如下：煤油压力为1.05MPa煤油流量为20.4L/h，氧气压力为1.23MPa氧气流量为61.4m3/h，送粉载气为氮气，流量1.22m3 /h.喷枪垂直进给为3mm/r，喷涂距离为380mm.工作台转速为40r/min，喷涂涂层厚度为0.4~0.5mm左右。

　　火焰喷熔试验采取一步法喷熔工艺。乙炔压力：0.11MPa；氧气压力：0.75MPa.喷涂试样材料为Q235，涂层厚度为：1.0 ~1.2mm.电弧喷涂试验喷涂参数：压缩空气工作压力：0.55MPa，喷涂电压：30V，喷涂电流：300A，送丝电压：18V，纳米WC/12G）涂层金相结构-100X 2.2力学性能采用传统的拉伸试验方法，纳米和微米的涂层都是从中间胶层处断裂，涂层完好无损。由于粘接剂大拉伸强度为58MPa，因此，纳米和微米涂层的结合强度是应该大于该值的。电弧喷涂喷枪移动速度：0~15cm/s，喷涂角度：0~90.喷涂试样材料为Q235，涂层厚度：0. 1.3涂层性能试验1干式喷砂机设备，实验参数为：气体压力0.4MPa冲蚀距离120mm，喷嘴直径8mm，磨料为-80 ~+120目的铜矿砂，冲蚀角度分别为：30*（冲蚀时间3min），90*冲蚀时间2min）。

　　在BX52显微镜下进行金相观察。用*71*型显微硬度计进行涂层显微硬度的测定，载荷200g；喷熔试样则采用上海产HRS1500型数显洛氏硬度计来测定其洛氏硬度。在WE 30型液压式万能材料试验机上进行涂层结合强度测试，拉伸速度设定为0.5mm/min，大拉力2结果与分析2.1涂层组织结构分析/12Co涂层金相结构，为微米WCA2Co涂层金相结构，由此可以看出纳米和微米的两种WCA2Co涂层的粒子分布很均匀，变形很充分，粒子粒度较小，涂层厚度均匀，层与层之间结合得非常紧密，甚至很难看清层之间的界面。涂层与基体的结合面处组织结构紧密，结合面也十分平整。和一般涂层比较，靠近涂层表面的部分，涂层组织还是和靠近基体的涂层一样致密，孔隙率很低，在涂层表面也很少见到孔隙和微裂纹的出现。

　　将纳米与微米两者的金相结构进行比较，可以发现，纳米涂层的颗粒要更为细小，涂层结构也要比微米涂层更加致密，且更加连续。分析可知，由于纳米结构WC /12Co粉Co与WC晶粒之间接触面积大，在喷涂过程中粉粒整体均匀熔化，熔滴碰到冷的基体快速凝固形成致密的涂层，粘结相Co基保持连续状态，WC晶粒则为纳米晶粒和亚微米晶粒的混合晶粒结构，尺寸主要是在纳米及亚微米范围，比较均匀地弥散分布在Co基中，因此晶粒较细，分散均匀。而微米结构WC/12Co颗粒在喷涂时只产生表面熔化或熔化不充分，WC晶粒并没完全熔化，作为粘结相的Co熔点低己熔化，这种半熔状态的熔滴碰到冷的基体时，熔化态的Co快速凝固，较粗的WC晶粒随之镶嵌在Co基体中，Co基被粗大晶粒的WC分割而成为不连续状，WC晶粒为亚微米晶粒和微米晶粒混合晶粒结构，因此涂层没有纳米结构涂层致密，且WC晶粒较为粗大。

　　微米WC/12CO涂层金相组织结构-100X LX88A涂层的结合强度为23. 5MPa.由此可见，超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层的结合性能比较优秀。

　　从，6可看出，HVOF制备WCA2Co纳米涂层硬度明显高于其他涂层，约为WC/12Co喷熔层洛氏硬度值微米涂层的1.5倍。而微米涂层的硬度也要比电弧喷涂涂层和火焰喷熔层的硬度高。因为涂层硬度是晶粒和晶粒边界的平均硬度，而在微观上，涂层晶粒越细小，在相同面积中，晶粒就越多，晶粒边界就越大，抵抗变形能力就越强，反映到宏观上，就是硬度更高，结合能力更强。由于超音速火焰喷涂层致密，孔隙率很低，结合强度高，因此硬度和结合能力都要强于一般涂层。而纳米涂层晶粒比微米的更加细小，使得纳米涂层力学性能更为优良。

　　2.3冲蚀性能分析为7种涂层在90*冲蚀2min的冲蚀率，从和中可以看到，超音速火焰喷涂WCA2Co金属陶瓷涂层的冲蚀率比较低，抗冲蚀性能比较好，这说明超音速火焰喷涂工艺比其他工艺方法优秀；在7种涂层中，纳米WC/12Co涂层的冲蚀率明显低于其他工艺制备的涂层，这说明纳米WC/12C性能为优异，此外，自熔性合金制备的喷熔层也具有较良好的抗冲蚀性能。

　　涂层在30冲蚀3min的冲蚀率涂层在90冲蚀2min的冲蚀率AB涂层冲蚀后电镜扫描图像轴流式引风机叶片的主要失效形式为冲蚀磨损。冲蚀磨损又叫冲击磨损，是含有硬颗粒的流体相对于固体运动，使固体表面产生的磨损。冲蚀有两种基本类型，一类叫冲刷磨损，是颗粒起一种刨削的作用令材料磨损，另一类叫撞击磨损，是撞击固体表面使其产生微小的塑性变形或显微裂纹而脱落产生的磨损。30*的冲蚀属于冲刷磨损类型，（a），（b）是纳米和微米涂层30*冲蚀后的电镜图像，由于纳米涂层中尺寸在纳米及亚微米范围的WC晶粒起到硬质相作用，Co基具有强韧性效果，因此较之微米涂层，硬度更高，结合能力好。所以微米涂层在冲刷磨损下，在粘结相的区域出现犁沟，碳化物颗粒与粘结相结合处出现了裂纹，随着碳化物颗粒被剥落，露出一些原来在涂层表面下的粗大的晶粒，冲蚀面显得坑洼。而纳米涂层由于良好的韧性，有的涂层颗粒在被冲刷变形的情况下仍与基体保持良好的结合，冲蚀面仍保持较好的连续性。90*冲蚀属于撞击磨损类型，（c），（d）是纳米和微米涂层90*冲蚀后的电镜图象，微米涂层在喷砂的撞击下，产生少量的辐射状切削犁沟，涂层主要受到变形的挤压和冲蚀粒子的冲击，使粘结相与WC颗粒的结合界面产生裂纹，裂纹扩展导致WC颗粒的剥落。

　　而纳米涂层由于有较好的韧性与塑性，具有较好的抗冲蚀性能，在撞击磨损和变形挤压的情况下，冲蚀面仍保持连续颗粒之间保持良好的结合。

　　3结论HVOF制备的纳米结构的WCA2C涂层，由于晶粒比微米WCA2C涂层细小、分布均匀，因此涂层性能更优良。

　　应用超音速火焰喷涂WC/12C金属陶瓷涂层，其性能（硬度、结合强度）高于传统轴流式引风机叶片防磨涂层，其中纳米涂层的硬度约是微米涂层的1.5倍。

　　金属陶瓷WCA2C涂层抗冲蚀性能高于传统轴流式引风机叶片防磨涂层，纳米涂层的抗冲蚀性能更是优良。

　　著提高叶片的使用寿命，因此在轴流式引风机叶片的防磨上有着很好的应用前景。