D0I:10.13374/1.issm100103.2008.04.028 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能 王国刚，2)马光)樊自拴)王勇.3) 俞宏英)孟惠民)孙冬柏) 1)北京科技大学腐蚀与防护中心，北京1000832)国网北京电力建设研究院电站技术研究所，北京100070 3)河北省电力研究院，石家庄050021 摘要利用等离子熔覆设备堆焊制备了三种不同成分的镍基合金层(Ni46,Ni67、Ni60/35WC),制样后在旋转圆盘空蚀试验 机上对制备的合金层进行了空蚀磨损实验：采用SEM、XRD,显微硬度，失重分析法对空蚀前后的合金层进行了对比分析·结 果表明：所有堆焊层的失重均大于对比的304不锈钢：SEM形貌观察堆焊层组织中存在缺陷或孔隙，空蚀后组织中的缺陷呈 裂纹状发展，因此空蚀伴随着强烈的疲劳损失过程：XRD分析表明空蚀过程诱发了N60/35WC表面的相变：另外，空蚀还引 起了材料Ni67和Ni60/35WC加工硬化，而Ni46出现了加工软化. 关键词镍基合金：堆焊层：等离子熔覆：空蚀：加工软化：疲劳损伤 分类号TG172.9 Cavitation characteristics and properties of Ni-based claddings deposited by the plasma jet cladding process WA NG Guogang),MA Guang),FAN Zishuan),WANG Yong3).YU Hongying).MENG Huimin,SUN Dongbai) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Electric Power Technology Division,Beijing Electric Power Construction Research Institute,State Grid Corporation of China,Beijing 100070. China 3)Electrie Power Construction Research Institute of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China ABSTRACT Three kinds of Ni-based metal claddings (Ni46.Ni67.and Ni60/35WC)were deposited by the plasma jet cladding process.These cladding samples were then subject to cavitation erosion testing on the rotating disc cavitation test equipment.SEM, X-ray diffraction,micro hardness,and weight loss analysis were exploited to analyze the changes of the materials.The results showed the values of weight loss for all claddings were more than that of stainless steel 304.SEM images showed a large number of cracks oc- cur and propagate under subsurface.for the existence of cavity and the other faults of structure,which significantly decreased the cav- itation erosion resistance of the cladding materials.So the cavitation erosion is a typical fatigue failure process.Some new phases ap- peared and some old phases disappeared on the surface of the Ni60/35WC cladding after cavitation testing by X-ray diffraction.For Ni67 and Ni60/WC.the microhardness values of surface claddings became higher after cavitation and softer for Ni46. KEY WORDS Ni-based metal:metal cladding:plasma cladding:cavitation erosion:work soft:fatigue damage 空蚀(cavitation erosion)是由于流体中局部压 发生破坏，产生振动和噪音，降低效率，迫使设备频 力的剧变，造成液体蒸汽压迅速降低，生成气泡，在 繁大修，甚至短期报废)，近年来，我国大力发展 高压区快速渍灭而使材料表面遭受严重破坏的现 以水电为主的清洁能源，解决好过流部件的空蚀问 象.空蚀广泛存在于各种过流部件中，造成其过早 题，对提高经济效益具有重要意义· 失效，尤其是在水利方面，空蚀主要是使金属表面 理论上，自从Lord提出空蚀溃灭模型以来3]， 空蚀研究已经持续了近百年，由于空蚀过程伴随着 收稿日期：2007-02-26修回日期：2007-10-16 噪声、发光、放热等现象[可)，因此其机理极其复杂 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。 2002AA331080):北京市重大科技项目(No·H024200050021) 目前，被广泛接受的空蚀机制仍然是：冲击波和微 作者简介：王国刚(1975一)，男，工程师，博士：孙冬柏(1959一)，男， 射流损伤或两者的共同作用[6]. 教授，博士生导师，E mail:d山sun@mater-ustb-edu:cm 目前空蚀损伤问题的研究主要从两个方面开
镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能 王国刚12） 马 光1） 樊自拴1） 王 勇13） 俞宏英1） 孟惠民1） 孙冬柏1） 1） 北京科技大学腐蚀与防护中心北京100083 2） 国网北京电力建设研究院电站技术研究所北京100070 3） 河北省电力研究院石家庄050021 摘 要 利用等离子熔覆设备堆焊制备了三种不同成分的镍基合金层（Ni46、Ni67、Ni60／35WC）制样后在旋转圆盘空蚀试验 机上对制备的合金层进行了空蚀磨损实验．采用 SEM、XRD、显微硬度、失重分析法对空蚀前后的合金层进行了对比分析．结 果表明：所有堆焊层的失重均大于对比的304不锈钢；SEM 形貌观察堆焊层组织中存在缺陷或孔隙空蚀后组织中的缺陷呈 裂纹状发展因此空蚀伴随着强烈的疲劳损失过程；XRD 分析表明空蚀过程诱发了 Ni60／35WC 表面的相变；另外空蚀还引 起了材料 Ni67和 Ni60／35WC 加工硬化而 Ni46出现了加工软化． 关键词 镍基合金；堆焊层；等离子熔覆；空蚀；加工软化；疲劳损伤 分类号 TG172∙9 Cavitation characteristics and properties of N-i based claddings deposited by the plasma jet cladding process W A NG Guogang 12）MA Guang 1）FA N Zishuan 1）W A NG Yong 13）Y U Hongying 1）MENG Huimin 1）SUN Dongbai 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Electric Power Technology DivisionBeijing Electric Power Construction Research InstituteState Grid Corporation of ChinaBeijing 100070 China 3） Electric Power Construction Research Institute of Hebei ProvinceShijiazhuang050021China ABSTRACT T hree kinds of N-i based metal claddings （Ni46Ni67and Ni60／35WC） were deposited by the plasma jet cladding process．T hese cladding samples were then subject to cavitation erosion testing on the rotating disc cavitation test equipment．SEM X-ray diffractionmicro hardnessand weight loss analysis were exploited to analyze the changes of the materials．T he results showed the values of weight loss for all claddings were more than that of stainless steel304．SEM images showed a large number of cracks occur and propagate under subsurfacefor the existence of cavity and the other faults of structurewhich significantly decreased the cavitation erosion resistance of the cladding materials．So the cavitation erosion is a typical fatigue failure process．Some new phases appeared and some old phases disappeared on the surface of the Ni60／35WC cladding after cavitation testing by X-ray diffraction．For Ni67and Ni60／WCthe microhardness values of surface claddings became higher after cavitation and softer for Ni46． KEY WORDS N-i based metal；metal cladding；plasma cladding；cavitation erosion；work soft；fatigue damage 收稿日期：2007-02-26 修回日期：2007-10-16 基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （ No． 2002AA331080）；北京市重大科技项目（No．H024200050021） 作者简介：王国刚（1975—）男工程师博士；孙冬柏（1959—）男 教授博士生导师E-mail：dbsun＠mater．ustb．edu．cn 空蚀（cavitation erosion） 是由于流体中局部压 力的剧变造成液体蒸汽压迅速降低生成气泡在 高压区快速溃灭而使材料表面遭受严重破坏的现 象．空蚀广泛存在于各种过流部件中造成其过早 失效．尤其是在水利方面空蚀主要是使金属表面 发生破坏产生振动和噪音降低效率迫使设备频 繁大修甚至短期报废［1—2］．近年来我国大力发展 以水电为主的清洁能源解决好过流部件的空蚀问 题对提高经济效益具有重要意义． 理论上自从 Lord 提出空蚀溃灭模型以来［3］ 空蚀研究已经持续了近百年．由于空蚀过程伴随着 噪声、发光、放热等现象［4—5］因此其机理极其复杂． 目前被广泛接受的空蚀机制仍然是：冲击波和微 射流损伤或两者的共同作用［6］． 目前空蚀损伤问题的研究主要从两个方面开 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．028
392 北京科技大学学报 第30卷 展：一是对过流部件进行优化设计减弱或者避免空 蚀损伤的发生；二是研制高耐蚀材料和堆焊层，增强 1实验步骤 表面抗空蚀的能力，随着表面制备技术的发展，设 1.1等离子熔覆堆焊层的制备 计发展优良的抗空蚀堆焊层，在不提高部件成本前 选择的三种镍基合金粉末均具有自熔性， 提下，大幅度提升过流部件的抗空蚀性能，成为今后 Ni60/35WC为复合粉体，由于WC粒子的加入，其 抗空蚀设计的一个重要方向 耐磨性比N60更强.，三种合金粉呈球形团聚状，尺 表面熔覆技术是在一些表面性能差、价格低的 度分布在40~50m,化学成分见表1，基体材料采 基材表面形成性能优越的合金层，取代昂贵的整体 用304不锈钢，尺寸为100mm×40mm×10mm.堆 合金，从而大幅度降低成本)，本文利用等离子熔 焊层制备采用DRF一1型等离子熔覆强化数控设 覆法制备了Ni67、Ni46和Ni60/35WC三种镍基合 备，控制条件参数见表2，所得的堆焊厚度约为3~ 金堆焊层，对其空蚀性能和特征进行了研究， 4mm 表1镍基合金粉体的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composites of Ni-based powders % 镍基合金粉体 g Si Fe Cr Mo 少 Ni67 3.04.0 0.70.9 4.05.0 5 15.018.0 8~17 余量 Ni46 2.03.0 0.50.8 3.04.0 ≤5 16.018.0 46 余量 Ni60+WC 2.0-2.2 2.32.5 2.4-2.6 16-18 9.510.5 33-37 余量 表2等离子熔覆镍基合金堆焊过程的工艺参数 源为直径10mm的通孔，空蚀腔内的压力由一个功 Table 2 Process parameters in the plasma jet metallurgical process 率为3kW的清水泵提供，其他实验条件和参数见 参数 数值 表3. 工作电压/V 吧 表3空蚀和磨损实验条件和参数 工作电流/A 300-500 Table 3 Conditions and parameters of cavitation erosion and abrasive 电离气体流量/(m3h1) 1.2 wear 送粉气体流量/(m3h-1) 0.6-0.8 转速/ 线速度/ 腔内压 水温/ 时间/ 保护气体流量/(m3h) 0.60.8 (r'min 1) (ms-1) 力/MPa ℃ 6 等离子束的扫描速度/(mmmin) 500 2940 46 0.1 1835 36 喷嘴与工件间距离/mm 28-32 选取试样的截面，经线切割制样后抛光，用扫描 1.2空蚀实验步骤 电镜(SEM)进行形貌观察，用X射线衍射方法对合 空蚀实验在旋转圆盘空蚀模拟试验机上进行 金粉体和堆焊层表面（包括未空蚀和空蚀两种试样） 旋转圆盘见图1，圆盘外直径360mm,在直径 进行分析，用维氏硬度计对堆焊层的显微硬度进行 300mm圆周上均匀分布六个试样，试样空蚀面直径 检测 为28mm,嵌入到圆盘中测试面与圆盘面持平，空蚀 2结果与讨论 2.1失重分析 随着空蚀的进行，试样表面材料不断被冲击剥 离.从堆焊层的累积失重图2(a)可以看出：除Ni46 与不锈钢(0Crl3Ni5Mo)失重较小；其他两种堆焊层 失重均较大，从图2(b)材料失重速率上可以看出： 空蚀源孔 不锈钢开始失重速率基本为零，称为空蚀的孕育阶 段，此时不锈钢出现了典型加工硬化过程；随着空蚀 图1实验圆盘和试样装配图 进行疲劳损伤作用逐渐增加，失重速率随时间而增 Fig.1 Schematic diagram of the rotating disc and samples for cavi- 加8].三种堆焊层中N46堆焊层的失重速率最小， tation testing 一开始稳定增加，以后稳定在某一数值，后期出现下
展：一是对过流部件进行优化设计减弱或者避免空 蚀损伤的发生；二是研制高耐蚀材料和堆焊层增强 表面抗空蚀的能力．随着表面制备技术的发展设 计发展优良的抗空蚀堆焊层在不提高部件成本前 提下大幅度提升过流部件的抗空蚀性能成为今后 抗空蚀设计的一个重要方向． 表面熔覆技术是在一些表面性能差、价格低的 基材表面形成性能优越的合金层取代昂贵的整体 合金从而大幅度降低成本［7］．本文利用等离子熔 覆法制备了 Ni67、Ni46和 Ni60／35WC 三种镍基合 金堆焊层对其空蚀性能和特征进行了研究． 1 实验步骤 1∙1 等离子熔覆堆焊层的制备 选择的 三 种 镍 基 合 金 粉 末 均 具 有 自 熔 性． Ni60／35WC 为复合粉体由于 WC 粒子的加入其 耐磨性比 Ni60更强．三种合金粉呈球形团聚状尺 度分布在40～50μm化学成分见表1．基体材料采 用304不锈钢尺寸为100mm×40mm×10mm．堆 焊层制备采用 DRF—1型等离子熔覆强化数控设 备控制条件参数见表2所得的堆焊厚度约为3～ 4mm． 表1 镍基合金粉体的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composites of N-i based powders ％ 镍基合金粉体 B C Si Fe Cr W Mo Ni Ni67 3∙0～4∙0 0∙7～0∙9 4∙0～5∙0 ≤5 15∙0～18∙0 — 8～17 余量 Ni46 2∙0～3∙0 0∙5～0∙8 3∙0～4∙0 ≤5 16∙0～18∙0 — 4～6 余量 Ni60＋WC 2∙0～2∙2 2∙3～2∙5 2∙4～2∙6 16～18 9∙5～10∙5 33～37 — 余量 表2 等离子熔覆镍基合金堆焊过程的工艺参数 Table2 Process parameters in the plasma jet metallurgical process 参数 数值 工作电压／V 50 工作电流／A 300～500 电离气体流量／（m 3·h —1） 1∙2 送粉气体流量／（m 3·h —1） 0∙6～0∙8 保护气体流量／（m 3·h —1） 0∙6～0∙8 等离子束的扫描速度／（mm·min —1） 500 喷嘴与工件间距离／mm 28～32 图1 实验圆盘和试样装配图 Fig．1 Schematic diagram of the rotating disc and samples for cavitation testing 1∙2 空蚀实验步骤 空蚀实验在旋转圆盘空蚀模拟试验机上进行． 旋转 圆 盘 见 图 1圆 盘 外 直 径 360mm在 直 径 300mm圆周上均匀分布六个试样试样空蚀面直径 为28mm嵌入到圆盘中测试面与圆盘面持平空蚀 源为直径10mm 的通孔．空蚀腔内的压力由一个功 率为3kW 的清水泵提供．其他实验条件和参数见 表3． 表3 空蚀和磨损实验条件和参数 Table3 Conditions and parameters of cavitation erosion and abrasive wear 转速／ （r·min —1） 线速度／ （m·s —1） 腔内压 力／MPa 水温／ ℃ 时间／ h 2940 46 0∙1 18～35 36 选取试样的截面经线切割制样后抛光用扫描 电镜（SEM）进行形貌观察用 X 射线衍射方法对合 金粉体和堆焊层表面（包括未空蚀和空蚀两种试样） 进行分析用维氏硬度计对堆焊层的显微硬度进行 检测． 2 结果与讨论 2∙1 失重分析 随着空蚀的进行试样表面材料不断被冲击剥 离．从堆焊层的累积失重图2（a）可以看出：除 Ni46 与不锈钢（0Cr13Ni5Mo）失重较小；其他两种堆焊层 失重均较大．从图2（b）材料失重速率上可以看出： 不锈钢开始失重速率基本为零称为空蚀的孕育阶 段此时不锈钢出现了典型加工硬化过程；随着空蚀 进行疲劳损伤作用逐渐增加失重速率随时间而增 加［8］．三种堆焊层中 Ni46堆焊层的失重速率最小 一开始稳定增加以后稳定在某一数值后期出现下 ·392· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 王国刚等：镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能 ,393 降；另外两种合金层，尽管堆焊层在空蚀时有加工硬 劳裂纹生成和发展，损伤影响因素增多，所以它们的 化出现，但是由于堆焊层缺陷多，容易引发材料的疲 累积失重较高，失重速率波动大， 0.5(a)-.-0Crl3Ni5Mo 6.660 (b) --Ni67 --0Cr13Ni5Mo 0.4 --Ni60/35WC -·-Ni67 --Ni46 4.995 -4-Ni60/35WC 0.3 --Ni46 3.330 0.2 0.1 1.665 0 -01 121824 30 时间h 时间h 图2空蚀材料的累积失重(a)和失重速率(b) Fig.2 Cumulative weight loss (a)and weight loss rate (b)of the claddings 2.2显微硬度 种堆焊层空蚀前出现硬度变化与等离子熔覆技术的 对空蚀前后堆焊层的截面进行显微硬度检测， 特性有关[)，而空蚀后的硬度提高和分布的均匀 尽可能的远离裂纹，取五点的平均值，见图3，三种 化，则是因为空蚀过程中空泡溃灭对堆焊层进行反 堆焊层横截面的硬度在空蚀前后发生了明显的变 复的冲击，引起了表面下层组织的变化] 化，Ni67和Ni60/35WC从内向外逐渐增大.这两 700 700 (a) --Ni67空蚀前 700(e) 600: --Ni67空蚀后 600 基体涂层一 600 基体涂层 500 基体涂层 500 500 400 400 400 300 --Ni46空蚀前 -·-Ni46空蚀后 300 -·-Ni6035WC空蚀前 -Ni60/35WC空蚀后 200 200 200 -50 050100150200 -50 050100150200 50 050100150200 基体一→涂层μm 基体→涂层μm 基体一涂层μm 图3堆焊层空蚀前后横截面硬度分布 Fig.3 Variation in cross section hardness of the claddings N46堆焊层空蚀前后截面硬度分布波动都比 蚀前后的XRD图.从中可看出：Ni46和Ni67的物 较小，说明其内部组织比较均匀，堆焊层空蚀后横截 相组成基本一致，主要由FeNi3、Cr3C、CrB3、FeSi、 面整体硬度没有提高反而有所降低，从外向内也未 Ni3B、SiC等物相组成，空蚀前后相变不明显，Ni60/ 出现明显的硬度梯度，约保持在500Hv上下小幅度 35WC熔覆涂层生成相基本与前面类似，未发现 波动·推测表层材料的软化有助于对气泡溃灭时候 WC相或者类似脱碳相，说明WC在熔覆过程中发 能量的吸收，从而降低其对表面的冲击损伤山]，加 生了严重的分解，生成了其他产物，Ni60/35WC堆 上堆焊层本身致密组织结构均匀，决定了其具有较 焊层空蚀后的衍射图变的异常复杂，原堆焊层中 高的抗空蚀的性能.该现象未见报道，需要进一步 CrsB3、Cr23C、SiC等相消失，同时出现了Ni3lSi2、 验证， Cr3Ni2SiC、WB等新相，其他各相由于特征峰不明 2.3X射线衍射分析 显，很难进行识别.说明此堆焊层在空蚀过程中，经 空蚀过程除了对材料表面直接剥蚀外，气泡溃 历二次高温过程，部分物相消失同时生成了一些新 灭还伴随着的高温、噪声和发光等现象，同样对材料 的物相，从失重数据看，这种相变对提高材料的耐空 产生损伤破坏作用12].图4为三种熔覆堆焊层空 蚀性贡献不明显
降；另外两种合金层尽管堆焊层在空蚀时有加工硬 化出现但是由于堆焊层缺陷多容易引发材料的疲 劳裂纹生成和发展损伤影响因素增多所以它们的 累积失重较高失重速率波动大． 图2 空蚀材料的累积失重（a）和失重速率（b） Fig．2 Cumulative weight loss （a） and weight loss rate （b） of the claddings 2∙2 显微硬度 对空蚀前后堆焊层的截面进行显微硬度检测 尽可能的远离裂纹取五点的平均值见图3．三种 堆焊层横截面的硬度在空蚀前后发生了明显的变 化Ni67和 Ni60／35WC 从内向外逐渐增大．这两 种堆焊层空蚀前出现硬度变化与等离子熔覆技术的 特性有关［9］而空蚀后的硬度提高和分布的均匀 化则是因为空蚀过程中空泡溃灭对堆焊层进行反 复的冲击引起了表面下层组织的变化［10］． 图3 堆焊层空蚀前后横截面硬度分布 Fig．3 Variation in cross section hardness of the claddings Ni46堆焊层空蚀前后截面硬度分布波动都比 较小说明其内部组织比较均匀堆焊层空蚀后横截 面整体硬度没有提高反而有所降低从外向内也未 出现明显的硬度梯度约保持在500Hv 上下小幅度 波动．推测表层材料的软化有助于对气泡溃灭时候 能量的吸收从而降低其对表面的冲击损伤［11］加 上堆焊层本身致密组织结构均匀决定了其具有较 高的抗空蚀的性能．该现象未见报道需要进一步 验证． 2∙3 X 射线衍射分析 空蚀过程除了对材料表面直接剥蚀外气泡溃 灭还伴随着的高温、噪声和发光等现象同样对材料 产生损伤破坏作用［12］．图4为三种熔覆堆焊层空 蚀前后的 XRD 图．从中可看出：Ni46和 Ni67的物 相组成基本一致主要由 FeNi3、Cr23C、Cr5B3、FeSi、 Ni3B、SiC 等物相组成空蚀前后相变不明显．Ni60／ 35WC 熔覆涂层生成相基本与前面类似未发现 WC 相或者类似脱碳相说明 WC 在熔覆过程中发 生了严重的分解生成了其他产物．Ni60／35WC 堆 焊层空蚀后的衍射图变的异常复杂原堆焊层中 Cr5B3、Cr23C、SiC 等相消失同时出现了 Ni31Si12、 Cr3Ni2SiC、WB 等新相其他各相由于特征峰不明 显很难进行识别．说明此堆焊层在空蚀过程中经 历二次高温过程部分物相消失同时生成了一些新 的物相从失重数据看这种相变对提高材料的耐空 蚀性贡献不明显． 第4期 王国刚等： 镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能 ·393·
.394 北京科技大学学报 第30卷 14000 12000Ni67: (a) Ni46? (b) 12000 10000 FeNi,/NizoCro Feow 10000 ■FeNi,Ni,g,Cta,Feow ◆CrB1 8000 ◆Cr,B, SiC 8000 ·NiuSin 6000 ·CrSi2 SiC ◇MoNi 6000 : MoNi 4000 △Ni Si: 4000 2000 人空蚀后人 2000上 空蚀后 人空蚀前人人 空蚀前 九人 3040506070 8090100 30 0 50 60708090100 20() 20(°) 16000 2000 Ni60/3SWC空蚀前 (c) Ni60/35WC空蚀后 (d) 1600 12000 FeNi ·FcNi ◆CrB Ni,B ●CrC 1200 NiuSin 8000 SiC Cr Ni,SiC o Ni B 800 ★WB 4000 400 0 30 405060708090100 30 40 50 60708090100 20(°) 图4堆焊层空蚀前后的X射线衍射谱 Fig.4 X-ray diffraction patterns of the claddings before and after cavitation 2.4SEM观察 现了较大且深的空蚀坑，逐渐扩大连成片，从图6 从图5试样的截面SEM图上可以看出，堆焊层 空蚀区的截面图观察，Ni67和Ni60/35WC堆焊层 与基体为冶金结合，呈现出大量枝晶结构，但未出现 中由表及里出现了较多裂纹，其中N67出现的裂纹 明显的孔隙.从图表面空蚀区图中可以看到，N46 数目多且尺寸大，N46的截面图未出现明显的裂 和Ni60/35WC空蚀破坏形貌差异不大，由非空蚀 纹，而且堆焊层内部组织结构均匀，堆焊层中微缺陷 区的光面逐渐过度到粗糙的空蚀区，N67的表面出 也较前两种堆焊层少得多，这可能与Ni46中Cr的 (c 图5推焊层空蚀前截面SEM形貌图.(a)Ni67;(b)N46;(c)N60/35WC Fig.5 SEM images of the cross section of the claddings before cavitation erosion:(a)Ni67:(b)Ni6:(c)Ni60/35WC 图6堆焊层空蚀后过渡区SEM表面形貌图，(a)Ni67;(b)Ni46;(c)Ni60/35WC Fig.6 SEM images of the surface of the claddings after cavitation erosion:(a)Ni67:(b)Ni46:(c)Ni60/35WC
图4 堆焊层空蚀前后的 X 射线衍射谱 Fig．4 X-ray diffraction patterns of the claddings before and after cavitation 2∙4 SEM观察 从图5试样的截面 SEM 图上可以看出堆焊层 与基体为冶金结合呈现出大量枝晶结构但未出现 明显的孔隙．从图表面空蚀区图中可以看到Ni46 和 Ni60／35WC 空蚀破坏形貌差异不大由非空蚀 区的光面逐渐过度到粗糙的空蚀区Ni67的表面出 现了较大且深的空蚀坑逐渐扩大连成片．从图6 空蚀区的截面图观察Ni67和 Ni60／35WC 堆焊层 中由表及里出现了较多裂纹其中 Ni67出现的裂纹 数目多且尺寸大Ni46的截面图未出现明显的裂 纹而且堆焊层内部组织结构均匀堆焊层中微缺陷 也较前两种堆焊层少得多这可能与Ni46中Cr的 图5 堆焊层空蚀前截面 SEM 形貌图．（a） Ni67；（b） Ni46；（c） Ni60／35WC Fig．5 SEM images of the cross section of the claddings before cavitation erosion：（a） Ni67；（b） Ni46；（c） Ni60／35WC 图6 堆焊层空蚀后过渡区 SEM 表面形貌图．（a） Ni67；（b） Ni46；（c） Ni60／35WC Fig．6 SEM images of the surface of the claddings after cavitation erosion：（a） Ni67；（b） Ni46；（c） Ni60／35WC ·394· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 王国刚等：镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能 .395 含量有关，高含量的C增加了堆焊层的高温熔融润 部缺陷有着密切的关系，即在表面材料被空蚀微射 湿性，促使其形成完整的大块熔覆体， 流剥蚀掉的同时，由于气泡的不断溃灭对表面的高 从空蚀坑内部结构可观察出，堆焊层的组织结 强度冲击，产生的疲劳裂纹必然向内部微缺陷进行 构与材料合金成分以及熔覆工艺参数有密切关系， 扩展，当裂纹到达后此处后形成一个新的裂纹发生 三种堆焊层中存在未熔合的凝固小颗粒，说明在熔 源；如此反复，最终造成表层以下未直接接触溃灭气 覆的过程中，在某些区域夹杂了气体，粉体在等离子 泡的内表层的破坏·因此堆焊层的致密性对材料的 形成的熔池中未能充分熔融和凝固，形成微孔缺陷， 耐空蚀性能具有重大影响，任何孔隙或者组织的缺 从堆焊层空蚀后横截面图（图7所示）可以看 陷都会引起材料的应力集中，加快了其空蚀破坏速 出，在空蚀坑底部的裂纹扩展都会延伸到堆焊层内 度 部的某一缺陷处，这表明堆焊层的空蚀损伤与其内 图7堆焊层空蚀后横截面sEM形貌图.(a)Ni67;(b)Ni46:(c)Ni60/35WC Fig.7 SEM images of the cross section of the claddings after cavitation erosion:(a)Ni67:(b)Ni46:(e)Ni60/35WC 为.北京科技大学学报，2007,29(5)：483) 3结论 [3]Lord R.On the pressure developed in a liquid during the collapse (1)Ni46堆焊层失重最少；Ni67、Ni60/35WC of a spherical cavity.Phil Mag.1917,34:94 [4]Plesset MS,Prosperetti A.Bubble dynamics and cavitation.An- 堆焊涂层缺陷多，失重速度快 nual Rev Fluid Mech,1977,9:145 (2)Ni67、Ni60/35WC堆焊层显微硬度波动较 [5]Brennen C E.Cavitation and Bubble Dynamics.New York: 大，空蚀后出现了加工硬化；N46堆焊层空蚀前后 Oxford University Press.1995 硬度分布比较均匀，空蚀后引起Ni46堆焊层的加工 [6]Zhang L F,Xia W H.Cavity and Cavitation Erosion.Nanjing: 软化， Hehai University Press,1989 (张林夫，夏维洪，空化与空蚀，南京：河海大学出版社 (3)Ni60/35WC熔覆过程中绝大部分WC发 1989) 生了严重的分解，空蚀后堆焊层出现了Ni31Si2、 [7]Li M.Li H D.Li H Q,et al.Development of plasma surface Cr3Ni2SiC、WB等多种新的复杂物相，再次表明空蚀 modification technology.Heat Treat Met.2004.29(7):5 伴随着高温过程 (李敏，李惠东，李惠琪，等.等离子体表面改性技术的发展 金属热处理，2004,29(7)：5) (4)涂层的组织结构与其抗空蚀性能密切相 [8]Liu W.Zheng Y G,Liu C S.Cavitation erosion behavior of Cr- 关.Ni46堆焊层孔隙少，其耐空蚀性能好；Ni67的 MnN stainless steels in comparison with OCr13Ni5Mo stainless 组织缺陷多，空蚀后产生大量的疲劳裂纹 stcd.Wear,2003,254:713 [9]Chen H.Li H Q.Microstructure and wear resistance of Fe-based 参考文献 coatings formed plasma jet surface metallurgy.Mater Lett. [1]GuS H.Yang T S.Research and Practical on Water Turbine 2006,60:1311 Erosion and Cavitation for 50 Years.Beijing:China Water [10]Odhiambo D.Soyama H.Cavitation shotless peening for im Power Press:2005 provement of fatigue strength of carbonized steel.Int Fatigue (顾四行，杨天生·水机磨蚀研究与实践50年.北京：中国水 2003,25(9/11):1217 利水电出版社，2005) [11]Brujan E A,Nahen K,Schmidt P,et al.Dynamics of laser in [2]Wang GG,Sun D B.Zhang X L,et al.Dynamic impact behav duced cavitation bubbles near an elastic boundary.I Fluid ior during bubble collapsing JUniv Sci Technol Beijing.2007. Mech,2001,433:251 29(5):483 [12]Lauterborn W,Ohl C D.Cavitation bubble dynamics.Ultrason (王国刚，孙冬柏，张秀丽，等，空泡溃灭过程中力学损伤行 Sonochem,1997,4(2):65
含量有关高含量的 Cr 增加了堆焊层的高温熔融润 湿性促使其形成完整的大块熔覆体． 从空蚀坑内部结构可观察出堆焊层的组织结 构与材料合金成分以及熔覆工艺参数有密切关系． 三种堆焊层中存在未熔合的凝固小颗粒说明在熔 覆的过程中在某些区域夹杂了气体粉体在等离子 形成的熔池中未能充分熔融和凝固形成微孔缺陷． 从堆焊层空蚀后横截面图（图7所示）可以看 出在空蚀坑底部的裂纹扩展都会延伸到堆焊层内 部的某一缺陷处．这表明堆焊层的空蚀损伤与其内 部缺陷有着密切的关系即在表面材料被空蚀微射 流剥蚀掉的同时由于气泡的不断溃灭对表面的高 强度冲击产生的疲劳裂纹必然向内部微缺陷进行 扩展当裂纹到达后此处后形成一个新的裂纹发生 源；如此反复最终造成表层以下未直接接触溃灭气 泡的内表层的破坏．因此堆焊层的致密性对材料的 耐空蚀性能具有重大影响任何孔隙或者组织的缺 陷都会引起材料的应力集中加快了其空蚀破坏速 度． 图7 堆焊层空蚀后横截面 SEM 形貌图．（a） Ni67；（b） Ni46；（c） Ni60／35WC Fig．7 SEM images of the cross section of the claddings after cavitation erosion：（a） Ni67；（b） Ni46；（c） Ni60／35WC 3 结论 （1） Ni46堆焊层失重最少；Ni67、Ni60／35WC 堆焊涂层缺陷多失重速度快． （2） Ni67、Ni60／35WC 堆焊层显微硬度波动较 大空蚀后出现了加工硬化；Ni46堆焊层空蚀前后 硬度分布比较均匀空蚀后引起 Ni46堆焊层的加工 软化． （3） Ni60／35WC 熔覆过程中绝大部分 WC 发 生了严重的分解空蚀后堆焊层出现了 Ni31Si12、 Cr3Ni2SiC、WB 等多种新的复杂物相再次表明空蚀 伴随着高温过程． （4） 涂层的组织结构与其抗空蚀性能密切相 关．Ni46堆焊层孔隙少其耐空蚀性能好；Ni67的 组织缺陷多空蚀后产生大量的疲劳裂纹． 参 考 文 献 ［1］ Gu S HYang T S．Research and Practical on Water T urbine Erosion and Cavitation for 50 Years．Beijing：China Water Power Press2005 （顾四行杨天生．水机磨蚀研究与实践50年．北京：中国水 利水电出版社2005） ［2］ Wang G GSun D BZhang X Let al．Dynamic impact behavior during bubble collapsing．J Univ Sci Technol Beijing2007 29（5）：483 （王国刚孙冬柏张秀丽等．空泡溃灭过程中力学损伤行 为．北京科技大学学报200729（5）：483） ［3］ Lord R．On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity．Phil Mag191734：94 ［4］ Plesset M SProsperetti A．Bubble dynamics and cavitation．A nnual Rev Fluid Mech19779：145 ［5］ Brennen C E． Cavitation and Bubble Dynamics．New York： Oxford University Press1995 ［6］ Zhang L FXia W H．Cavity and Cavitation Erosion．Nanjing： Hehai University Press1989 （张林夫夏维洪．空化与空蚀南京：河海大学出版社 1989） ［7］ Li MLi H DLi H Qet al．Development of plasma surface modification technology．Heat T reat Met200429（7）：5 （李敏李惠东李惠琪等．等离子体表面改性技术的发展． 金属热处理200429（7）：5） ［8］ Liu WZheng Y GLiu C S．Cavitation erosion behavior of Cr— Mn—N stainless steels in comparison with 0Cr13Ni5Mo stainless steel．Wear2003254：713 ［9］ Chen HLi H Q．Microstructure and wear resistance of Fe-based coatings formed plasma jet surface metallurgy． Mater Lett 200660：1311 ［10］ Odhiambo DSoyama H．Cavitation shotless peening for improvement of fatigue strength of carbonized steel．Int Fatigue 200325（9／11）：1217 ［11］ Brujan E ANahen KSchmidt Pet al．Dynamics of laser-induced cavitation bubbles near an elastic boundary． J Fluid Mech2001433：251 ［12］ Lauterborn WOhl C D．Cavitation bubble dynamics．Ultrason Sonochem19974（2）：65 第4期 王国刚等： 镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能 ·395·