超音速火焰喷涂哈氏合金C-276涂层的显微结构与性能.pdf

第４卷第３期２０１０年９月材料研究与应用ＭＡＴＥＲｌＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩ（）ＮＶ０１．４．ＮＯ．３Ｓｅｐｔ．２０ｌ０———文章编号：１６７３９９８１（２０１０）０３０２０７０４超音速火焰喷涂哈氏合金０－２７６涂层的显微结构与性能黄“科１，邓运来１，刘敏２，邓春明２，宋进兵２（１．中南大学材料科学与工程学院．湖南长沙４１００８３；２．广州有色金属研究院．广东广州５１０６５０）摘要：采用超音速火焰喷涂工艺制备了Ｃ－２７６哈氏合金涂层。同时对涂层的显微结构、显微硬度及耐磨性进行了研究．结果表明：涂层为层状结构且致密．与基体结合牢固；涂层与Ｃ一２７６合金粉末均以面心—立方的７相ＮｉＣｒ－Ｃｏ－Ｍｏ合金为主晶相．保持了喷涂粉末材料的性能，但喷涂过程中产生的氧化物与气孔影响了涂层的硬度及耐磨性．关键词：Ｃ－２７６合金涂层；超音速火焰喷涂；显微结构；性能中图分类号：ＴＧｌｌ３．２文献标识码：Ａ哈氏合金（ＨＡＳＴＥＬＬＯＹａｌｌｏｙｓ）由美国汉斯国际公司研制开发的，是世界公认的顶级抗腐蚀合金，其广泛使用于需要稳定性、安全性及减少维护成本的各种设备的关键性部件中，如金属酸洗设备、烟气脱硫净气器及核燃料再处理、垃圾焚烧等设备．其中Ｃ一２７６哈氏合金具有高强度、高硬度、良好延展特性的镍一铬一钼固溶体合金，又由于铬、钼、钨或铌的含量较高，以及合金化程度较高，因此具有很强的耐点蚀性能及点蚀临界温度高等特性［Ｊｊ，适合在氧化性与还原性之间波动的混合溶液环境中使用，尤其适用于混入了Ｆｅ件及Ｃｕ２＋等强氧化性离子的盐酸、硫酸溶液的环境中．然而，Ｃ一２７６哈氏合金块材较贵，加工难度较大，因此限制了其应用．热喷涂技术是将涂层材料送人热源中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面而形成覆盖层的一种工艺【２ｊ，其中超音速火焰喷涂工艺制备的涂层与基体结合强度高、涂层致密、涂层的残余应力小及孔隙率小于ｌ％，而且可喷涂厚涂层，近年来已广泛地应用于材料表面防护与强化等领域中．本文采用超音速火焰喷涂工艺快速制备Ｃ一２７６哈氏合金涂层，且对涂层的显微结构及性能进行了研究．—收稿日期：２０１０－０５０７作者简介：黄科（１９７７ｔ），男，广东博罗人．工程师。学七．１试验方法与表征１．１试样以３１６Ｌ作为基体，其尺寸为１００ｍｍ×６０ｍｍ×３ｍｍ．先将基体超声除油，然后用２５号刚玉砂于０．４ＭＰａ压力下进行喷砂处理，获得粗糙度Ｒａ为３“～５ｍ的粗化表面，以备喷涂．１．２方法喷涂所用的粉末为日本Ｆｕｊｉｍｉ公司生产的Ｃ一２７６哈氏合金粉末，采用真空雾化工艺制备所得，呈“球状，粒径为２０～５３ｍ，其化学成分列于表ｌ，图１为该粉末的显微形貌．用德国ＧＴＶ公司生产的氧气助燃超音速火焰喷涂（ＨＶＯＦ）设备，在３１６Ｌ基体上制备Ｃ一２７６哈氏合金涂层，涂层厚度为５００～“６００ｍ，喷涂工艺的参数列于表２．表１Ｃ．２７６合金粉末的化学组成Ｔａｂｌｅ１ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ－２７６ｐｏｗｄｅｒ万方数据２０８材料研究与应用２０ｌＯ表２超音速火焰喷涂工艺参数Ｔａｂｌｅ２ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒＨＶＯＦｐｒｏｃｅｓｓ图１Ｃ一２７６合金粉末形貌Ｆｉｇ．１ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙｆｏｒＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ・２７６ｐｏｗｄｅｒ１．３表征采用线切割法将所制备的涂层试样加工成所—需要的尺寸，以进行涂层性能检测．用ＪＬＳＭ５９１０型带能谱仪扫描电镜，对涂层的显微结构进行分析；用ＬｅｉＣａＤＭＩＭＲ金相显微镜及自带的图像分析系统，测量涂层的孔隙率；用Ｄ／Ｍａｘ－ＲＣ型Ｘ射线衍射仪对粉末及涂层的相组成进行分析；用ＶＤＭＨ一５型显微硬度计测试涂层的显微硬度，其中载荷为２．９４Ｎ，加载停留时间为１５ｓ；用日本产Ｓｕｇａ仪测试涂层的耐磨性，其中涂层试样的对磨件为ｌＯＯ号ＳｉＣ砂纸，载荷为２９４Ｎ，每组测试共反复磨４００个来回［引．２结果及讨论２．１涂层的显微结构图２为超音速火焰喷涂Ｃ一２７６哈氏合金涂层纵、横剖面形貌．从图２（ａ）可见，涂层为层状结构且较为致密，经金相图像分析仪测定涂层的孑Ｌ隙率约为０．８％．从图２（ｂ）可见：涂层中有明显的未熔颗粒（图中箭头所示），这是由于所喷涂粉末粒径较大，焰流温度及粉末的动能不足以使大粒径的Ｃ一２７６粉末充分熔融Ｈ］，但未熔粉末与四周涂层结合较好，没有明显地影响涂层的致密度；涂层层间发现有明显的氧化带，氧化带产生的主要原因是熔融的Ｃ一２７６粉末颗粒流动性及润湿性较差，在喷涂过程中与空气发生化学反应，反应所生成的表面氧化物（主要成分为Ｃｒ：０。）以及微小气泡随熔融粉末流动，在凝固时铺展而成凹］．虽然氧化带可提高涂层的抗氧化性能，但是同时也降低了涂层内粒子之间的结合强度［６－７：．图３为＠２７６合金涂层与基体的剖面形貌．从图３可见，涂层与基体有着良好的结合，表明涂层的结合强度较高．图２Ｃ・２７６合金涂层剖面形貌（ａ）纵剖面；（ｂ）经腐蚀后的横剖面Ｆｉｇ．２—ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｌｉｍａｇｅｓｆｏｒＨａｓｔｅｌｌｏｙ＆２７６ｃｏａｔｉｎｇ（ａ）ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｅｃｔｉｏｎ；（ｂ）ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ万方数据第４卷第３期黄科，等：超音速火焰喷涂哈氏合金Ｃ一２７６涂层的显微结构与性能２０９图３Ｃ一２７６合金涂层与基体的剖面形貌Ｆｉｇ．３Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌｉｍａｇｅｓｆｏｒＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ一２７６ｃｏａｔｉｎｇａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅ２．２涂层的相分析图４为Ｃ一２７６合金粉末涂层的Ｘ射线衍射图谱．从图４可见，所制备的Ｃ一２７６合金涂层及粉末均———为面心立方的ｙ相ＮｉＣｒＣｏＭｏ合金．这表明，超音速火焰温度没有明显地改变粉末的相组成．由于单相面心立方晶格结构的镍基合金具有很好的抗腐蚀性能，其中固溶的Ｃｒ，Ｗ及Ｍｏ等元素能增加原子间结合力产生的点阵畸变，降低堆垛层错能，使再结晶温度提高，因此高温时也能保持良好的热稳∽‘定性９ｊ．图４Ｃ－２７６粉末和涂层的ＸＲＤ图谱Ｆｉｇ．４ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｆｏｒＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ－２７６ｐｏｗｄｅｒａｎｄｃｏａｔｉｎｇ２．３涂层的显微硬度与耐磨性涂层的硬度是表征涂层耐磨性的指标之一．经显微硬度计的测试，Ｃ一２７６合金涂层的平均显微硬度为６３０Ｈｖ，而３１６Ｌ基体的硬度为２５０Ｈｖ．由此可知，涂层的硬度明显比基体高．将Ｃ一２７６涂层试样和３１６Ｌ基体试样在日制Ｓｕｇａ砂纸摩擦磨损试验机上测试，经过三组测试，每组试样分别被砂纸打磨４００次、８００次及１２００次，图５为Ｃ一２７６合金涂层和３１６Ｌ基体的磨损结果．从图５可见，随着磨损次数的增加，涂层磨损量基本稳定，由于涂层未经过处理，强度不高．因此，可认为未经处理后的Ｃ一２７６涂层的耐磨性比３１６Ｌ基体差些．∞暑■疆憾图５Ｃ一２７６合金涂层与３１６Ｌ基体的磨损结果Ｆｉｇ，５ＷｅｉｇｈｔｌｏｓｓｆｏｒＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ－２７６ｃｏａｔｉｎｇａｎｄ３１６Ｌ３结论可采用超音速火焰喷涂工艺快速制备Ｃ一２７６哈氏合金涂层，所制备的涂层非常致密，并与基体结合牢固，涂层层间存在氧化带；Ｃ一２７６合金粉末经喷涂—后没有发生明显的相变，粉末与涂层均以７相Ｎｉ—Ｃｒ－ＣｏＭｏ合金为主晶相；所制备涂层的显微硬度比３１６Ｌ基体高，未经处理后的Ｃ一２７６涂层的耐磨性比３１６Ｌ基体差些．参考文献：［１］曹楚南．腐蚀电化学原理［Ｍ］．北京：化学工业出版社．１９８５．［２］戴达煌．周克崧。袁镇海．现代材料表面技术科学［Ｍ］．北京：冶金工业出版社．２００４．［３］王卫泽，李长久．热喷涂涂层的结构及其表征［Ｊ］．材料保护．２００６（１１）：３９．［４］ＫＡＷＡＫＩＴＡＪ．Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎａｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆ—ＨａｓｔｅｌｌｏｙＣｃｏａｔｉｎｇｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙＧＳ－ＨＶ（）Ｆｓｐｒａｙｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ．２００５。４７：２０５３－２０６２．［５］ＡＨＭＡＤＭ，ＡＫＨＴＥＲＪＩ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ—ｈａｒｄｈｅｓｓｓｔｕｄｉｅｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｗｅｌｄｅｄｚｏｎｅｏｆ—Ｈａｓｔｅｌ万方数据２１０材料研究与应用２０１０ｌｏｙＣ一２７６［ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ．２００５．３９０：８８－９３．［６］ＺＨＡＮＧＱｉａｎｇ．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＨａｓｔｅｌｌｏｙ（：－２７６ｉｎｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ。２００９。５１：—２０９２２０９７［７３ＡＨＭＡＤＭ．ＳｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ一２７６ｂｙＳｉＣａｄｄｉｔｉｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｍｅｌｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｕｃｌｅａｒＭａｔｅｒｉａｌｓ。２００５．３３６：１２０－１２４．［８３施爱娟．镍基耐蚀合金Ｃ一２７６平衡析出相的热力学计算［Ｊ］．特殊钢．２００９（５）：３０．［９］马文有．Ｍｏ含量对一种镍基单晶高温合金显微组织和持久性能的影响［Ｊ３．金属学报．２００６（１１）：４２．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨＶＯＦｓｐｒａｙｅｄＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ一２７６ｃｏａｔｉｎｇＨＵＡＮＧＫｅｌｔ２．ＤＥＮＧＹｕｎ－ｌａｉｌ．ＬＩＵＭｉｎ２．ＤＥＮＧ—Ｃｈｕｎｒｕｉｎ９２．ＳＯＮＧ—Ｊｉｎｂｉｎ９２（１．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ．ＣｅｎｔｅｒＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３・Ｃｈｉｎａ；２．ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｎ＾ｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ。Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５ｌ・Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ一２７６ｃｏａｔｉｎｇｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙＨＶＯＦ（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＯｘｙｇｅｎＦｕｅｌ）ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｗｅｒｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ—ｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｗａｓｌａｙｅｒｅｄａｎｄｄｅｎｓｅ，ｆｉｒｍｌｙｂｏｎｄｅｄｔＯｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｈｅｍａｉｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｐｈａｓｅｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇａｎｄＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ一２７６ｐｏｗｄｅｒｗｅｒｅｂｏｔｈ—ｆａｃｅｃｅｎｔｅｒｅｄｃｕｂｉｃＹｐｈａｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ———ＮｉＣｒＣｏＭｏａｌｌｏｙ．ＴｈｅｐｈａｓｅｏｆｃｏａｔｉｎｇｒｅｍａｉｎｅｄｔＯｂｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｓｐｒａｙｐｏｗｄｅｒ．Ｎｅｖｅｒｔｈｅｌｅｓｓ，ｔｈｅｏｘｉｄｅａｎｄｐｏｒｏｓｉｔｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｐｒａｙｐｒｏｃｅｓｓａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃ一２７６ｃｏａｔｉｎｇ；ＨＶＯＦ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｏｐｅｒｔｙ万方数据