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下巴。 J. Mech。 工程。 （2017）30：1239-1247 DOI 10.1007 / s10033-017-0162-9
来源文章
微纳米WC-10Co4Cr涂层的结构及其在NaCl溶液中的抗空蚀性能
项丁1bull;徐东东1bull;成庆元2bull;金石2bull;张章雄2
收到日期：2016年6月29日/修订日期：2017年2月27日/接受日期：2017年7月4日/网上发布：2017年7月25日
copy;The Author（s）2017.本文是一本开放获取刊物
摘要空化侵蚀（CE）是流体机械溢流组件失效的主要原因。 由于快速发展，先进的涂层已经为空化侵蚀提供了有效的解决方案
表面工程技术。 然而，涂层结构对CE耐受性的影响尚未得到系统研究。 为了更好地理解它们之间的关系，采用高速氧燃料喷涂法（HVOF）沉积了微纳米和常规WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层，并通过OM，SEM和XRD分析了它们的微观结构。 同时，进行了涂层力学性能和电化学性能的表征，以及3.5％NaCl溶液中涂层对CE的耐受性，并探讨了空化机理。 结果表明，微纳米WC-10Co4Cr涂层具有致密的微观结构，良好的力学和电化学性能，孔隙率极低，为0.26plusmn;0.07％
韧性为5.58plusmn;0.51 MPa·m1/2。 而且，CE
在3.5wt％NaCl溶液中，在稳定的CE时期，微纳米涂层的耐受性比传统涂层提高50％以上。 微米级WC-10Co4Cr涂层的耐CE性能优于独特的微纳米结构和性能，可有效地阻止CE裂纹的形成和扩展。 从而，
提出了一种通过控制微观结构来提高WC-10Co4Cr涂层抗CE性能的新方法。
关键词抗空蚀性能微纳米结构WC-10Co4Cr涂层HVOF
- 介绍
在船舶螺旋桨和舵叶，船用柴油机缸套，涡轮叶轮和各种泵等流体机械中经常会观察到空泡侵蚀（CE），这是导致溢流组件失效的主要原因。 腐蚀性的海洋环境会加速船舶和钻井平台溢流部位的空化损伤。 CE已成为流体设备的核心技术问题，威胁设备安全，降低效率，增加成本[1, 2]。 因此，提高流体机械中材料的CE耐性具有显着的经济效益。
空化侵蚀的机理尚未完全了解，因为它受到流体动力学，构件设计，使用环境和材料特性等多个参数的影响。 由于CE只发生在部件表面，所以先进的表面工程技术已经变得最有效
＆Cheng-Qing Yuan 120455684@qq.com
1武汉理工大学材料与加工新技术国家重点实验室，
武汉430070
2武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063，中国
已经开发了热喷涂，等离子氮化，化学气相沉积，物理气相沉积，激光熔覆和硬化等表面工程技术来改变组件材料的表面性能。 其中，电弧等离子喷涂（APS），爆震枪（D-Gun），高速氧燃料喷涂（HVOF）等热喷涂方法有
已被商业应用于流体机械的溢流部件以增强抗空蚀侵蚀[5].
WC基金属陶瓷涂层以其杰出的耐磨性而闻名[6]，这在耐CE材料的研究中引起了很大的关注。 WC-Co涂层，尤其是那些具有纳米结构的涂层，已经成功应用于各种流体机械[7]。 与WC-Co涂层相比，WC-CoCr涂层具有更高的强度和更好的耐腐蚀性，并且有望在海洋环境等腐蚀介质中具有更优异的耐CE性能[8]。 WC基涂层中的WC粒度显着影响其微观结构和性能。 Armstrongr [9]提出WC基涂层的机械性能和耐磨性通常随着WC颗粒尺寸的减小而增加。 Ghabchi的研究[10]和马[11]等， 表明优化WC尺寸和结构可以改善HVOF喷涂WC基涂层的机械性能和耐磨性。 Scieska
[12]和李[13]等， 建议WC体积分数较高的WC颗粒金属陶瓷涂层具有较高的磨损性能。 因此，纳米结构WC基涂层已被广泛研究用于提高显微硬度和磨损性能[14, 15]。 蒂尔曼等人 [16]报道了HVOF喷涂纳米结构WC-12Co涂层的滑动和滚动磨损行为。 洪，等。 [17]揭示了HVOF喷涂纳米结构WC-10Co4Cr涂层在NaCl溶液中的空化侵蚀行为和机理。 赵的研究[18]和陈[19]等， 已经证明纳米结构材料的硬度和韧性可以同时得到改善。 但是Dent [20]和杨[21]等， 由于纳米WC的脱碳，随后形成不需要的碳化物，如W2C，复合Co-W-C和金属钨，WC涂层的断裂韧性随着WC尺寸的减小而降低也可以降低纳米结构WC基涂层的机械性能。 为了防止纳米WC的脱碳并降低纳米涂层的成本，Skandan [22]和吉[23]等， 提出了一种由纳米和微米WC颗粒尺寸组成的新型微纳米WC基涂层，预期其具有致密的结构和优异的抗汽蚀性能。 但是，微纳米WC-CoCr涂层的结构，性能，如腐蚀环境下的硬度，断裂韧性和CE耐受性尚未完全了解。
沉积过程是影响WC基金属陶瓷涂层结构和性能的另一个重要因素。 在所有的热喷涂方法中，HVOF具有高火焰速度和适中的火焰温度，这可以最大限度地减少碳钢的脱碳
WC降至较低水平。 因此，HVOF是沉积微纳米WC-CoCr金属陶瓷涂层的理想方法[24, 25].
在这项工作中，微纳米和传统的WC-10Co4Cr涂层（MC和CC）通过HVOF沉积。 研究了涂层在3.5wt％NaCl溶液中的微观结构，力学性能，电化学性能和CE电阻，探讨了涂层的空化机理。 研究结果可为海洋环境中WC-CoCr防空蚀涂层的设计提供重要参考。
-
实验程序
- 涂料制备
将赣州Achteck工具技术有限公司生产的微纳米和常规WC-10Co4Cr复合粉末（MP和CP）喷涂在奥氏体不锈钢AISI 316上，其特性列于表 1。 采用JP8000 HVOF设备沉积WC-10Co4Cr涂层，以煤油为燃料，氧气为氧化剂气体，喷涂参数如表 2.
喷涂之前，用丙酮清洗基材表面并用60目刚玉喷砂。 涂层的厚度控制在450plusmn;20流明。 在进行任何特性分析之前，将所有样品研磨并抛光至平均表面粗糙度RaB0.02lm。
-
- 描述
用VHX-2000数字光学显微镜（OM）和FEI Quanta 250扫描电子显微镜（SEM）观察粉末和涂层的形貌和微观结构。 用D / max-2550衍射仪（XRD）进行粉末和涂层的相鉴定，使用k = 0.154nm的Cu-Ka辐射。
显微硬度测量通过HVS-
1000显微硬度测试仪在300g的负载下15秒。 用Axiovet 40 MAT金相显微镜捕获的金相200X照片测量孔隙率，随后使用IQ材料软件计算孔隙率。 根据Wilshaw公式计算断裂韧性Kc。 （1) [26]（结果为十次测量的平均值），其中P，a和c分别是华阴HV5型维氏硬度计（5kg）的载荷，压痕对角线长度的一半和裂纹长度的一半。
K = 0：079PIg(4:5a\： eth;1THORN;
c a3=2 c
表1两种WC-10Co4Cr复合粉末的特性
|
粉号 |
粉末类型 |
制造方法 |
纳米WC尺寸D / nm |
美光WC大小D / LM |
粉末尺寸D / lm |
纳米WC率/％ |
|
MP |
微纳米 |
凝聚 |
70–180 |
2.5 |
20–53 |
30 |
|
CP |
常规 |
凝聚 |
– |
1.5 |
10–45 |
– |
表2 HVOF对WC-10Co4Cr涂层的喷涂参数
涂料号
粉末类型
氧气流量
V/SCFH
燃料流量
V/GPH
枪长
L /英寸
喷雾距离
L /毫米
粉末进料速度
M /（克·分钟-1）
|
MC |
MP |
1950 |
6.5 |
6 |
370 |
75 |
|
CC |
CP |
1950 |
6 |
6 |
370 |
75 |
CorrTest电化学测试系统测试涂层的电化学性能，主要包括CS300电化学工作站，CorrTest控制和数据分析软件。
-
- 空蚀侵蚀
根据标准GB / T 6383-2009，在J93025超声空化装置上进行空蚀试验。 空化测试参数设置为20kHz的频率和40lm的幅度。 3.5重量％
使用25-28℃的NaCl溶液作为a中的测试液体
1000毫升烧杯。 标本的尖端浸入3毫米深的水中。 CE测试装置的示意图如图所示 1 和样品（其尺寸如图所示 2）被连接到喇叭的自由端。
使用灵敏度为0.1mg的TG328电子天平测定质量损失。 每60分钟称重样品并进行16次测量。 质量损失结果是三个试样测试的平均值，体积损失是质量损失除以材料密度，而空化率（Rc）是每小时体积损失。 为了比较，316不锈钢样品在相同的测试条件下进行测试。
超声波发生器
M10X1-6h
图2 CE测试样品的尺寸
2
16
3
5
2 8
18
结果与讨论
WC-10Co4Cr粉末和涂层的结构
微纳米粉末（MP）和传统WC-10Co4Cr粉末（CP）的SEM显微照片示于图 3。 可以看出，两种粉末都是高度球形的，但在图中所示的CP粉末表面存在更多的孔隙 3（c）
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