D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.10.009 第29卷第10期 北京科技大学学报 Vol.29 No.10 2007年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.2007 等离子熔覆镍基合金的组织及其冲蚀磨损性能 刘胜林孙冬柏樊自拴王国刚俞宏英 北京科技大学腐蚀与防护中心，北京100083 摘要为提高不锈钢材料的耐冲蚀磨损性能，以N46合金粉末为原料，采用等离子熔覆工艺在不锈钢1C18N9Ti基材上 制备镍基合金涂层，分析了熔覆层的显微组织以及物相形貌和相结构等，测定了涂层的显微硬度.使用旋转圆盘实验机研究 了N基等离子熔覆合金涂层在砂浆中的冲蚀行为·结果表明：材料的冲蚀磨损性能受到材料基本力学性能的限制，高硬度 镍基涂层的抗冲蚀性能最好，在相同实验条件下其磨损率由小到大排列顺序为镍基涂层>0Cr13N5Mo>1Cr18N9Ti:镍合金 层中奥氏体基体的固溶强化和硬质相有效抵御砂砾的冲击+是基等离子熔覆合金层具有高抗冲蚀性能的主要原因. 关键词镍基合金涂层：等离子熔覆；显微组织：显微硬度：冲蚀 分类号TG146.21 我国拥有丰富的水力资源，水电是一种绿色能 源，发展水电对我国具有重要意义，水轮机过流部 1实验材料与方法 件是水力发电机的重要部件，我国水电站水轮机过 实验用的基体材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板， 流部件的泥沙磨损是一个举世瞩目的突出问题，因 尺寸规格为100mm×40mm×10mm,等离子熔覆 此研究泥沙对水力机械如水轮机、水泵等过流部件 用粉末材料为Ni46合金粉末，粒度均为50~80 的磨蚀问题尤其重要。应用恰当的表面处理技术与 m,镍基合金粉化学成分（质量分数）为：C,0.5% 抗冲蚀材料是减免冲蚀的一项重要措施，特别是在 ~0.8%;B,2%~3%;Si,3%~4%;Cr,16%~ 合理的水流形态及必要的减蚀措施等条件下，抗磨 18%;Fe,5%;Mo,8%~13%;Ni为余量，对比材料 蚀材料的应用能得到更充分有效地发挥山. 为1Cr18Ni9Ti不锈钢和0Cr13Ni5Mo不锈钢. 等离子熔覆以其能量密度大、效率高、连续工作 0Cr13Ni5Mo不锈钢也是水轮机转轮主要用材，含 稳定可靠、粉末选择范围宽、涂层厚度及力学性能可 有较高的合金元素，价格昂贵. 灵活调整、操作维护简单、生产成本低等优点在近年 实验是在同步送粉等离子束表面熔覆设备上进 得到广泛研究与应用2-41. 行的，采用负压直流放电非等轴压缩氩弧等离子炬， 等离子熔覆技术是通过等离子束流熔化涂层材 转移弧放电，同步送粉，表面熔覆过程中对涂层进行 料及基体表面的一薄层，在普通金属材料表面制备 氩气保护，工艺参数为：输出功率10kW,工作电流 与基体呈冶金结合的表面功能涂层，显著改善基体 300A,电离气体流量0.8m3h,送粉气体流0.8 材料的耐磨、耐蚀、耐热等性能，因此成为表面改性 m3h一.等离子束表面熔覆过程中，熔池吹入氩气 研究和发展的热点]. 保护，保护气流量1.5m3h1;等离子束的扫描速 目前等离子熔覆多数采用喷涂用Ni基、Co基 度为500 mm.min,喷嘴距离工件30mm,单道 和Fe基自熔合金粉末，为了提高水轮机叶片的抗 熔凝 冲蚀性能，本文选用恰当的等离子束熔覆工艺，在水 沿等离子束扫描方向切取截面并制得试样，通 轮机常用不锈钢1Crl8Ni9Ti表面制取Ni基合金涂 过M21X型X射线衍射仪分析熔覆层的析出物相， 层，并对合金涂层的成分、组织和性能进行分析， 试样在LE0l450扫描电子显微镜和KEVEX Sigma 能谱仪上观察分析熔覆层的显微组织，测定析出相 化学成分.采用HVS1000型显微硬度计测量熔覆 收稿日期：2006-07-15修回日期：2006-11-25 层及基材的显微硬度，载荷砝码100g·具体磨蚀实 基金项目：国家863计划资助项目(N。.2002AA331080):北京市重大 验在哈尔滨大电机厂的旋转圆盘实验机上完成，旋 科技项目(N。-H020420050021)子项目 作者简介：刘胜林(1975-)，男，博士研究生；孙冬柏(1959-)男， 转圆盘实验机可以模拟水轮机的真实工况以检验材 教授，博士生导师 料在实际条件下的服役情况，该设备原理图见图1.等离子熔覆镍基合金的组织及其冲蚀磨损性能 刘胜林 孙冬柏 樊自拴 王国刚 俞宏英 北京科技大学腐蚀与防护中心‚北京100083 摘 要 为提高不锈钢材料的耐冲蚀磨损性能‚以 Ni46合金粉末为原料‚采用等离子熔覆工艺在不锈钢1Cr18Ni9Ti 基材上 制备镍基合金涂层‚分析了熔覆层的显微组织以及物相形貌和相结构等‚测定了涂层的显微硬度．使用旋转圆盘实验机研究 了 Ni 基等离子熔覆合金涂层在砂浆中的冲蚀行为．结果表明：材料的冲蚀磨损性能受到材料基本力学性能的限制‚高硬度 镍基涂层的抗冲蚀性能最好‚在相同实验条件下其磨损率由小到大排列顺序为镍基涂层＞0Cr13Ni5Mo＞1Cr18Ni9Ti；镍合金 层中奥氏体基体的固溶强化和硬质相有效抵御砂砾的冲击‚是 Ni 基等离子熔覆合金层具有高抗冲蚀性能的主要原因． 关键词 镍基合金涂层；等离子熔覆；显微组织；显微硬度；冲蚀 分类号 TG146∙21 收稿日期：2006-07-15 修回日期：2006-11-25 基金项目：国家863计划资助项目（No．2002AA331080）；北京市重大 科技项目（No．H020420050021）子项目 作者简介：刘胜林（1975—）‚男‚博士研究生；孙冬柏（1959—）‚男‚ 教授‚博士生导师 我国拥有丰富的水力资源‚水电是一种绿色能 源‚发展水电对我国具有重要意义．水轮机过流部 件是水力发电机的重要部件‚我国水电站水轮机过 流部件的泥沙磨损是一个举世瞩目的突出问题‚因 此研究泥沙对水力机械如水轮机、水泵等过流部件 的磨蚀问题尤其重要．应用恰当的表面处理技术与 抗冲蚀材料是减免冲蚀的一项重要措施‚特别是在 合理的水流形态及必要的减蚀措施等条件下‚抗磨 蚀材料的应用能得到更充分有效地发挥［1］． 等离子熔覆以其能量密度大、效率高、连续工作 稳定可靠、粉末选择范围宽、涂层厚度及力学性能可 灵活调整、操作维护简单、生产成本低等优点在近年 得到广泛研究与应用［2—4］． 等离子熔覆技术是通过等离子束流熔化涂层材 料及基体表面的一薄层‚在普通金属材料表面制备 与基体呈冶金结合的表面功能涂层‚显著改善基体 材料的耐磨、耐蚀、耐热等性能‚因此成为表面改性 研究和发展的热点［5］． 目前等离子熔覆多数采用喷涂用 Ni 基、Co 基 和 Fe 基自熔合金粉末．为了提高水轮机叶片的抗 冲蚀性能‚本文选用恰当的等离子束熔覆工艺‚在水 轮机常用不锈钢1Cr18Ni9Ti 表面制取 Ni 基合金涂 层‚并对合金涂层的成分、组织和性能进行分析． 1 实验材料与方法 实验用的基体材料为1Cr18Ni9Ti 不锈钢板‚ 尺寸规格为100mm×40mm×10mm．等离子熔覆 用粉末材料为 Ni46合金粉末‚粒度均为50～80 μm．镍基合金粉化学成分（质量分数）为：C‚0∙5％ ～0∙8％；B‚2％ ～3％；Si‚3％ ～4％；Cr‚16％ ～ 18％；Fe‚5％；Mo‚8％～13％；Ni 为余量．对比材料 为 1Cr18Ni9Ti 不 锈 钢 和 0Cr13Ni5Mo 不 锈 钢． 0Cr13Ni5Mo 不锈钢也是水轮机转轮主要用材‚含 有较高的合金元素‚价格昂贵． 实验是在同步送粉等离子束表面熔覆设备上进 行的‚采用负压直流放电非等轴压缩氩弧等离子炬‚ 转移弧放电‚同步送粉‚表面熔覆过程中对涂层进行 氩气保护．工艺参数为：输出功率10kW‚工作电流 300A‚电离气体流量0∙8m 3·h —1‚送粉气体流0∙8 m 3·h —1．等离子束表面熔覆过程中‚熔池吹入氩气 保护‚保护气流量1∙5m 3·h —1 ；等离子束的扫描速 度为500mm·min —1‚喷嘴距离工件30mm‚单道 熔凝． 沿等离子束扫描方向切取截面并制得试样‚通 过 M21X 型 X 射线衍射仪分析熔覆层的析出物相‚ 试样在 LEO1450扫描电子显微镜和 KEVEX Sigma 能谱仪上观察分析熔覆层的显微组织‚测定析出相 化学成分．采用 HVS1000型显微硬度计测量熔覆 层及基材的显微硬度‚载荷砝码100g．具体磨蚀实 验在哈尔滨大电机厂的旋转圆盘实验机上完成‚旋 转圆盘实验机可以模拟水轮机的真实工况以检验材 料在实际条件下的服役情况‚该设备原理图见图1． 第29卷 第10期 2007年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．10 Oct．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．10．009