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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·