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 cavi￾tation 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