CeO_2改性多尺度WC-...涂层组织结构及空蚀性能研究_杨长春.pdf

文章编号：（）改性多尺度 涂层组织结构及空蚀性能研究杨长春，丁翔，田英豪，袁成清，王韶毅（武汉理工大学 交通与物流工程学院，武汉 ；武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，武汉 ；崇义章源钨业股份有限公司，江西 赣州 ）摘要：采用超音速火焰喷涂技术，制备多尺度 涂层和纳米 改性涂层。研究添加纳米 对多尺度 涂层组织结构、力学性能的影响。并采用超声振动空蚀装置研究淡水介质中涂层的空蚀行为和机理。研究表明，改性涂层和未改性涂层物相均主要由 相和非晶 组成，没有产生明显的脱碳相。纳米 改性多尺度 涂层具有更低孔隙率（），但涂层显微硬度（）只有多尺度 涂层的。同时其开裂韧性（）相对于多尺度 涂层降低了。纳米 的添加削弱了涂层在淡水介质的抗空蚀性能，其抗空蚀性能只达到多尺度 涂层的。纳米 的添加降低了多尺度 涂层的孔隙率，但同时削弱了涂层的力学性能，由此降低了涂层的抗空蚀性能。关键词：涂层；超音速火焰喷涂；硬质合金；多尺度；空蚀性能中图分类号：文献标识码：引言空蚀是船舶螺旋桨和尾轴、绞吸式挖泥船泥泵、舵叶、柴油机气缸套与轴瓦等部件的主要失效形式之一，它降低了这些过流部件的效率，缩短了零件的工作寿命。空蚀产生的振动不仅使船舶油耗增加，而且具有一定安全隐患。因此，开展针对空蚀机理及材料表面的抗空蚀研究对于促进国防建设和经济发展具有重要意义。目前常用的提高过流部件抗空蚀性能措施主要包括优化零件结构设计、优选零件材料和零件表面防护三个方面，但前两者都有一定不足之处，很难经济性地做到大幅度提高其抗空蚀性能，且空蚀主要作用在材料外表面，所以，目前最有效的提高零件抗空蚀性能的方法是对其过流部件进行表面处理。涂层抗空蚀性能主要取决于喷涂材料特性和涂层制备方法，喷涂材料主要有铁基、镍基和金属陶瓷材料等合金材料，其中 硬质合金由于高硬度和高强度等特征，现已广泛运用到表面涂层技术领域。目前涂层技术主要有激光表面改性技术、等离子表面改性技术、表面渗碳处理技术和热喷涂技术等，其中热喷涂能更好的适用于复杂环境，可以自由调节喷涂涂层厚度，而且能够适用于众多基体材料和喷涂材料，且不会对基体材料造成较高程度的损害等优势，已被各领域广泛关注。研究表明，由超音速火焰喷涂（，）技术制备的 涂层具有优异的抗空蚀性能，现已被广泛应用。相比较于 涂层，涂层耐磨性和抗空蚀性能更加优异，因而受到众多领域广泛研究。晶粒大小对（）涂层的性能有重要影响。张云乾等 采用 喷涂法制备了纳米和微米结构 涂层。结果表明，相较于微米 涂层，纳米涂层的显微硬度提高了；纳米涂层抗空蚀性能提高了倍。等 采用 工艺制备 了 由 亚 微米和 纳米尺 度组 成 的 双 峰 涂层。结果表明，相较于微米和纳米涂层，双峰涂层的显微硬度和开裂韧性更高。丁翔等 采用 技术制备了由纳米、亚微米及微米颗粒组成的多尺度涂层。研究发现，相对于双峰涂层，多尺度涂层孔隙率和脱碳率分别仅为双峰涂层的 和，同时具有更高的开裂韧性，多尺度 涂层在淡水中的体积空蚀量比双峰涂层下降约。稀土电子结构特殊，可作为各类性能的优化剂，提高 基硬质合金各种性能。对于热喷涂 基涂层，通常使用镧（）和铈（）的氧化物作为添加剂进行改性。吴厚平等 研究了 、在 中存在形态，结果表明 和 难以在 和 相中固溶，只能以第二相形式分布在 晶界和 相界之间，提高了各界面之间的结合强度。岑升波等 采用 技术制备了微米、纳米和不同 含量的改性 涂层，研究发现，相比较微米和纳米杨长春 等：改性多尺度 涂层组织结构及空蚀性能研究基金项目：国家自然科学基金青年项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（：）收到初稿日期：收到修改稿日期：通讯作者：丁翔，：作者简介：杨长春（），男，在读硕士，师承袁成清教授和丁翔副教授，从事表面防护技术研究。涂层，改性涂层力学性能和抗磨损性能均更为优异。本文采用 工艺制备多尺度 涂层和 改性多尺度 涂层，对比研究两种涂层显微组织结构与力学性能，研究比较两种 涂层和 不锈钢的空蚀性能，为 抗空蚀涂层设计提供参考。实验试验材料本研究中多尺度 粉末与 改性多尺度 粉末分别以 和 表示，其中改性粉末是在混粉阶段加入纳米 ，然后由崇义章源钨业公司采用团聚烧结法制造，分筛粉末粒度为 ，其中多尺度 粉末中的比例和尺寸见表。改性多尺度 粉末中纳米 （粒度为 ）质量分数为。不锈钢为喷涂基体材料和空蚀实验对比材料。表多尺度 粉末中不同尺度 比例 涂层试样制备试样喷涂前对基体进行除油处理，然后采用 的棕刚玉对 不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂压力为 。采用超音速火焰技术制备，喷涂参数见表。喷涂过程控制试样表面温度 ，涂层厚度为（）。多尺度 涂层与 改性多尺度 涂层分别以 和 标记。表超音速火焰喷涂工艺参数 试验方法采用 扫描电镜（）对两种多尺度 涂层表面形貌和组织结构进行观察。基于射线衍射仪 靶，测角范围 ，测试粉末和涂层物相组成。基于超景深光学显微系统分析两种涂层截面显微组织结构。采用涂层截面 倍 照片，利用 软件计算孔隙率；采用 型显微硬度计测量显微硬度，载荷，保荷；采用 型维氏硬度计测量开裂韧性，载荷。空蚀试验按照 标准执行，采用 超声波振动空蚀仪，设备示意如图。空蚀前采用 目砂纸对试样进行打磨，使涂层处于 之间。空蚀介质为纯净水，冷却水温度控制在 ，空蚀试验每组，进行 组试验，总计，每组试验后空蚀试样需要清洗和烘干，空蚀试验中每小时涂层体积损失量和损失率通过使用精度为 的电子天平称重计算得出。图空蚀设备示意图 结果与讨论粉末形貌及物相分析和 粉末 形貌图如图所示。由图可以看出，纳米、亚微米和微米颗粒清晰可见，与所设计的多尺度 粉末尺度结构相符，两种粉末颗粒大多呈现出球形和椭圆形，为典型粉末颗粒形貌。粉末球形表面可以观察到一定程度的孔隙，这些孔隙有利于粉末在喷涂过程中更好与热源接触，使其均匀受热，进而改善其融化状态。和 粉末 图谱如图所示，在经过球磨及团聚烧结处理后，和 两种粉末只存在 相和 相，没有脱碳相 相的产生。在 粉末中没有检测到 的存在，这是因为纳米 含量低，其峰值在图谱中较低，未能在图谱中表现出来。图两种多尺度 粉末 形貌图：（）粉末；（）粉末 ：（）；（）年第期（）卷图两种多尺度 粉末和涂层 图谱 涂层组织结构分析和 涂层 图谱如图所示。涂层物相主要是 相，原有 相因为在喷涂中快速冷却过程中与和等形成了非晶而未检测到。两种涂层在制备过程中都无明显的脱碳行为，一方面是因为粉末具有较好的多尺度结构分布，能够避免在喷涂过程中由于具有较多小尺度颗粒而发生严重的脱碳现象；另一方面，超音速喷涂在喷涂过程中火焰的低温高速特性使 颗粒与焰流接触时间减少，由此降低了的氧化脱碳。从图中可以看出，涂层和 粉 末 的 图 谱 相 同，都 未 能 检 测 到 稀 土 的存在，这是因为 含量低而造成的。两种多尺度 涂层（和 ）在不同倍率下截面组织结构图如图所示。从图（）和（）可以看出，涂层组织结构致密，无明显缺陷。由图（）和（）可知，在涂层和 涂层中，亚微米颗粒填充在微米 颗粒之间，纳米 颗粒和 合金相均匀填充在亚微米和微米颗粒之间，使两种涂层都具有致密结构，黑色的是一些孔隙或者缺陷，灰黑色的为 粘结相；涂层相较于 涂层孔隙更为明显，计算结果表明，和 涂层孔隙率分别为 和，对比两种涂层，经稀土改性 涂层具有更低的孔隙率。一方面，稀土元素的加入能够使颗粒在喷涂过程中可以更加充分溶解，这更有利于形成致密涂层 ；另一方面，稀土 对晶界起净化作用，使得其表现出良好湿润性，进而提高 合金液相的毛细管压力，进而促进孔隙填充，使孔隙率降低 。另外，在 涂层中可能是因为聚集在 粘结相处的纳米 降低了合金体系的熔点 ，增加 粒子熔融程度，由此降低了涂层孔隙率。图和 涂层截面组织结构图和 图：（）涂层截面 图；（）涂层截面 图；（）涂层截面图；（）涂层截面 图 ：（）；（）；（）；（）涂层力学性能和 涂层显微硬度和开裂韧性如表所示。从表可知，经稀土改性的多尺度 涂层的显微硬度为 ，只有未改性涂层显微硬度（）的；稀土改性的多尺度 涂层的开裂韧性为 ，相较于未改性涂层的开裂韧性（）降低了。表和 涂层开裂韧性和显微硬度 涂层抗空蚀性能图为 和 涂层与 钢在淡水中空蚀体积损失和空蚀率曲线。从图（）中可知，与 不锈钢相比，两种涂层抗空蚀性能表现优异，在淡水中空蚀 后，和 涂层体积损失量分别只有 不锈钢的 和，相较于改性 涂层，涂层抗空蚀性能更加优异。从图（）中可以观察到，两种多尺度涂层和 不锈钢空蚀率变化规律不同。在空蚀初始阶段，不锈钢空蚀率比 涂层和 涂层空蚀率低，这是杨长春 等：改性多尺度 涂层组织结构及空蚀性能研究因为 不锈钢在空蚀的内处于空蚀孕育期，随后 不锈钢空蚀进入发展期，空蚀率大幅度提升，之后进入空蚀稳定阶段，其空蚀率稳定在 之 间。图（）同 时 显 示，多 尺 度 涂层和稀土 改性涂层没有 不锈钢典型的空蚀孕育期和发展期，在空蚀初期，具有较高的涂层空蚀率。由于涂层具有层状结构，其表层没有经受喷涂粒子的夯实作用，致密度比内层差，孔隙率相对内层较高，因此，在空蚀的初始阶段，两种多尺度涂层的空蚀率较高。在空蚀的之后进入了空蚀稳定阶段，并且稀土 改性涂层在空蚀稳定阶段波动范围较大。可以看出，在涂层的稳定空蚀阶段，涂层和 涂层空蚀率分别是 不锈钢的 和，且 涂层具有更低的空蚀率，只有 涂层的。由此可见，纳米 改性 涂层虽然降低了涂层孔隙率，但纳米 的添加也同时降低了涂层的显微硬度和开裂韧性，由此对涂层抗空蚀性能带来了负向影响。图和 涂层与 钢在淡水中体积损失量和空蚀率：（）空蚀体积损失量；（）空蚀率 ：（）；（）图和 涂层在淡水中空蚀初期的 图：（）涂层空蚀前；（）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀前；（）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）涂层空蚀机理分析图是和 涂层在淡水中空蚀初始阶段的表面形貌变化。为了观测相同区域的空蚀变化情况，对样品表面进行准确定位，采用显微硬度计在试样抛光表面上生成的菱形压痕为定位中心。从图（）和（）可以得出，两种涂层表面在空蚀前均没有明显缺 年第期（）卷陷。仅空蚀 后，涂层表面出现了大量的空蚀源，其中一部分已经形成尺度 以上的空蚀坑。通过图（）（）对比可以得出，涂层表面空蚀源的数量在最初 基本达到了饱和，之后的空蚀过程中空蚀源数量没有明显增长，但已有的空蚀坑尺寸有明显扩大，同时部分小空蚀源形成了新的空蚀坑。经 软件分析测算得出，空蚀 后，涂层表面空蚀源和空蚀坑所占面积比约为 ，和 后分别扩大到 和 。从图（）（）可以得出，涂层表面的空蚀源和空蚀坑规律和 涂层类似，但不论从空蚀源的数量还是空蚀坑的尺寸都明显小于 涂层。空蚀，和 后，涂层表面空蚀源和空蚀坑所占面积约为 、和 ，可见 涂层空蚀 后的破坏程度和涂层空蚀 相当。由此可见，多尺度 涂层经过 改性后，空蚀初期的蚀坑数量显著下降，这是由于改性 涂层具有更低的孔隙率，而涂层孔隙率在空蚀初始阶段对空蚀坑数量的形成起着主要作用。图和 涂层在淡水中空蚀初期表面形貌 图：（）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀 （）涂层空蚀 ；（）涂层空蚀 ：（）；（）；（）；（）图为 和 涂层在淡水中空蚀 和空蚀后的表面形貌 图。两种空蚀试样表面空蚀前采用 目砂纸进行打磨，使其涂层表面粗糙度 处于 之间。从图（）和（）可以得出，两种涂层试样在经过空蚀 后，空蚀坑尺度相比空蚀 有了明显增大，达到了 左右，同时 涂层表面的空蚀坑数量和面积仍明显多于 涂层，继续保持了图的趋势。但通过超景深光学显微系统的纵向深度测量发现，此时 涂层的最大空蚀坑深度约为，而 涂层的最大空蚀坑深度接近。从图（）和（）可以看出，两种涂层试样在空蚀 之后空蚀坑的面积相当，而且空蚀坑已经相互形成片状空蚀区域，其中 涂层最大空蚀坑深度接近，而改性涂层最大空蚀坑深度接近，说明 涂层表面的空蚀坑更倾向于向纵向发展，导致涂层空蚀体积增加。这也是虽然 涂层在空蚀初期表面空蚀源明显较少，空蚀的材料损失却更多的原