Ni基Cr3C2复合涂层的热态抗磨蚀性能研究

摘要

阀门是一种在流体系统中对介质起截流、换向作用的重要部件，广泛应用于城市供水供暖系统、石油化工管道、航空航天发动机等关键领域。硬密封球阀具有结构简单，维修方便，性能可靠等优点而被全世界大量应用，在我国，硬密封球阀发展速度很快，并被广大阀门制造企业所重视。由于硬密封球阀特有的结构及特定的工作方式，其阀座密封面和球体在阀门启闭过程中难免产生摩擦，进而造成磨损，在热态条件下，磨损将会加剧，一旦产生较严重磨损，将直接导致阀门泄漏，造成严重后果。
　　为保证硬密封球阀质量及管路安全，研究人员采用热喷涂技术在球体表面和阀座密封面制备镍基耐磨涂层，以此来增强二者的抗磨损性能，但由于单纯的Ni基合金涂层性能有限对球阀寿命提升不大，NiCr-Cr3C2、CoCr-WC等材料制备的涂层又出现了生产成本高、涂层机加工工艺性较差等新问题，对此，急需探索一种新的材料和工艺技术实现阀门产品性能与经济效益之间的最佳平衡点。
　　本研究提出以碳化物（Cr3C2）增强Ni基合金涂层性能的新方案优化涂层性能，并采用超音速火焰喷涂（HVOF）工艺技术在试样表面制备了Cr3C2质量分数分别为0%、12.5%、25%、37.5%和50%的Ni基Cr3C2复合涂层，测定了涂层硬度、组织结构、相组成以及元素分布，进行了热态条件下的抗磨损实验和高温熔盐（Na2SO4+25%wtNaCl）腐蚀实验，探究了涂层在50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃温度条件下的磨损机理和800℃条件下的熔盐腐蚀机理，结果表明：
　　1.采用超音速火焰喷涂制备的涂层具有较低的孔隙率，较高的硬度；
　　2.Cr3C2的添加能在 Ni基合金基体中生成CrB、NiB、Cr7C3、Cr23C6等多种硬质相，并弥散分布于Ni基合金基体中，显著提高了Ni基合金涂层硬度，提升了涂层抵抗循环载荷作用下发生塑性变形的能力，使涂层具备良好的耐磨损性能，并使涂层保持较低的摩擦系数和磨损率；
　　3.温度对涂层摩擦磨损性能有明显影响。50℃～250℃以内时由于氧化膜的产生，各配比涂层的摩擦系数和磨损量随温度升高均处于降低趋势，当温度超过250℃时，Ni基合金涂层由于粘着磨损严重导致摩擦系数与磨损量升高，其磨损性能也随之下降；涂层中添加一定量的Cr3C2时，能明显减轻涂层在此温度下的粘着磨损，当涂层中Cr3C2加入量达到37.5%同时温度升高到300℃条件下涂层摩擦系数和磨损量仍然处于较低水平；
　　4.800℃条件下的热态熔盐腐蚀对涂层有强烈的腐蚀作用，腐蚀盐中的 S元素能渗入涂层内部削弱涂层与基体的结合强度，且直接导致Ni基合金涂层脱落，Cl元素则能够分解涂层在高温条件下产生的Cr2O3保护膜。当Cr3C2质量份数达到37.5%时，复合涂层耐腐蚀性能较好。

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