高溫球閥在離子噴涂技術(shù)下的耐磨粒磨損性能的研究

近年來，激光等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械零部件再制造研究已引起了廣泛的關(guān)注。采用激光等離子噴涂耐磨材料覆蓋磨蝕表面，不僅可以恢復(fù)使用失效的零件，而且可以提高材料的使用壽命，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和較好的經(jīng)濟(jì)效益。金屬硬密封球閥能適用于高溫、高壓工況，具有流動(dòng)阻力小、啟閉迅速、使用壓力、溫度范圍廣等特點(diǎn)。但是，當(dāng)通過球閥介質(zhì)為液固或氣固混合物料且固體顆粒硬度又很高時(shí)，閥門球閥球體和閥體密封面對(duì)耐磨性能要求較高，特別是氣固混合介質(zhì)引起的球體與閥座間的干摩擦，極易造成密封面的過度磨損或拉傷而終導(dǎo)致失效。某企業(yè)重整催化劑再生系統(tǒng)采用美國某公司的高溫球閥，其壽命短則幾天，長(zhǎng)則不到 1 個(gè)月。目前，解決的辦法是更換球閥或?qū)η蝮w和閥座密封面進(jìn)行研磨后重新投入使用，但如此頻繁地更換或維修，不僅增加了生產(chǎn)成本和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且每年因閥門頻繁失效，造成停工、檢修所帶來的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百萬元。為此，筆者采用激光等離子噴涂技術(shù)，在高溫球閥閥芯材料表面制備出 Al2O3-TiO2 與 WC-Co 金屬陶瓷涂層，并對(duì)涂層的耐磨損性能機(jī)理和高溫綜合性能進(jìn)行了研究。得出了以下結(jié)論： 
1) 2 種金屬陶瓷涂層均具有較高的顯微硬度和較小的孔隙率，組織致密，無明顯裂紋，呈典型的層狀結(jié)構(gòu)。 
2) 由金屬陶瓷涂層組成的摩擦副配對(duì)的耐磨性較原摩擦副配對(duì)有明顯提高。涂層摩擦副磨損機(jī)理是以磨粒磨損為主；原摩擦副配對(duì)是以疲勞磨損為主。 
3) 通過激光等離子噴涂涂層的耐磨性、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性性能試驗(yàn)研究表明，Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層的綜合性能要優(yōu)于 WC-Co 金屬陶瓷涂層，可采用 Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層作為高溫球閥再制造的噴涂涂層。 

試樣制備及試驗(yàn)方法 
涂層試樣制備：試驗(yàn)采用閥芯球體材料 40Cr13 馬氏體不銹鋼作為噴涂基體材料，尺寸為 Φ60mm×15mm；其化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，下同）為：0.38% C、0.62% Si、0.80% Mn、0.050% P、0.030% S、12.87% Cr。經(jīng)檢測(cè)，閥芯球體已經(jīng)過淬火及低溫回火處理，其組織為回火馬氏體，硬度 512~545HV0.2。 等離子噴涂喂料分別為納米 Al2O3-13% TiO2 與 WC-12% Co 粉末，其粉末粒度為 50~500nm。采用美國 Sulzer2MetCo 大氣等離子噴涂系統(tǒng)及 F42MB 型噴槍制備涂層，2 種涂層的厚度均約為 50μm。 

涂層性能測(cè)試：采用維氏顯微硬度汁測(cè)量涂層試樣表面的維氏硬度，試樣經(jīng)打磨，拋光。根據(jù) ISO-4516-2002 《金屬涂層維氏與努氏硬度測(cè)量方法》規(guī)定，加載時(shí)間 5s，飽載時(shí)間 10s，何個(gè)試樣連續(xù)測(cè)定 5 個(gè)點(diǎn)，取算術(shù)平均值，兩壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于 3mm。采用日本 JEOL 公司 JSM-5900 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層橫截面形貌。
摩擦磨損試驗(yàn)采用 MM-Wl 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，根據(jù) ASTM-G99-2004 《銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，上試樣為采用電刷鍍處刷鍍高速鎳鎢鍍層的閥座材料 CY5SnBiM 鎳基合金（ASME 標(biāo)準(zhǔn)材料）銷（Φ5mm×12.7mm)，下試樣為噴涂有 Al2O3-TiO2 與 WC-Co 金屬陶瓷涂層的 40Crl3 鋼盤（Φ60mm×15mm)，在試驗(yàn)前試樣均經(jīng)過精磨，使其表面粗糙度 Ra 為 0.2~0.3μm。試驗(yàn)在大氣條件和干摩擦條件下進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為室溫，載荷 20N，滑動(dòng)速度 4.6m/s，滑動(dòng)總行程為 1920m。在試驗(yàn)前后，將試樣放人盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗 3~5min，干燥后用精度為 0.1mg 的賽多利斯 BS224S 電子天平稱覺銷試樣磨損前后的質(zhì)量損失；用精度為 2μm 的 AF-LI 型接觸與非接觸式表面輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)量盤試樣磨損表面凹坑寬度和深度，通過計(jì)算得到銷和盤的磨損體積損失。選用穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果，所有磨損量取 3 次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值。 
根據(jù) ASTM-C633一2001 《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，用 WE-50 型液壓拉伸驗(yàn)機(jī)測(cè)定涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。涂層熱震試驗(yàn)是將試樣放入 800℃ 溫度條件下的箱式電熱爐中，保溫 20min，然后取出，放入室溫冷水中迅速冷卻至室溫，如此反復(fù)循環(huán)，進(jìn)行 100 次循環(huán)試驗(yàn)或直到涂層出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。觀察每 1 個(gè)熱循環(huán)后涂層的變化情況，記錄第 1 次出現(xiàn)裂紋和第 1 次出現(xiàn)脫落現(xiàn)象所經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)。 

結(jié)果： 
1 涂層的組織和性能 
Al2O3-TiO2 與 WC-Co 金屬陶瓷涂層由粒子相互搭接而成，涂層組織致密，無明顯裂紋和粗大孔隙。其由 Al2O3、TiO2 等物相組成，同時(shí)還含有少量的 Fe3O4，這是由于電弧噴涂過程中弧區(qū)溫度較高、材料被氧化的結(jié)果。 
2 摩擦磨損性能和表面顯微硬度 
金屬陶瓷涂層的顯微硬度明顯高于基體的顯微硬度，其中 Al2O3-TiO2 涂層的顯微硬度（維氏硬度），達(dá)到了 1463，而基體的顯微硬度（維氏硬度）僅有 524。由于表面沉積形成 Al2O3、TiO2、WC 和 Co2O3 等硬質(zhì)金屬間化合物，使得等離子涂層的表面硬度明顯高于基體。以等離子噴涂工藝制備的 Al2O3-TiO2 與 WC-Co 金屬陶瓷涂層摩擦副配對(duì)的耐磨性能較未處理過的摩擦副配對(duì)均有明顯提高，其中 WC-Co 金屬陶瓷涂層的耐磨性能要稍好于 Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層，等離子噴涂涂層之所以具有高的耐磨性是因?yàn)槠湓诰哂懈唢@微硬度的同時(shí)涂層中彌散分布著納米晶顆粒，高硬度的涂層難以發(fā)生塑性變形，在接觸下不能產(chǎn)生明顯的脆性剝落，彌散分布的納米晶顆粒對(duì)涂層具有很好的彌散強(qiáng)化作用，兩者共同提高了摩擦副的耐磨性能。 
激光等離子噴涂涂層和未處理過的基體的表面形貌有明顯的區(qū)別，說明占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)理并不相同。磨痕表層呈現(xiàn)明顯的犁溝特征，即微觀切削過程明顯，同時(shí)在載荷作用下磨粒壓人摩擦表面而產(chǎn)生壓痕，將塑性材料表面擠壓出層狀或鱗狀的剝落碎削。因此，用等離子噴涂工藝制備的涂層主要磨粒磨損為主。出現(xiàn)的片狀剝落和塑性變形特性，表明基體存在粘著磨損，說明磨粒磨損已不再是主要的磨損方式，這可能是基體在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用下，基體材料疲勞剝落而成凹坑，原摩擦副配對(duì)時(shí)粘著磨損和疲勞磨損的綜合作用，而以疲勞磨損為主。 
3 涂層結(jié)合強(qiáng)度和熱震性能 
涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和熱震性能對(duì)于球閥在高溫工況條件工作具有重要的影響。 Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到了 60.40MPa，WC-Co 金屬陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度僅有 39.45MPa。涂層內(nèi)孔隙率以及涂層與基體的線膨脹系數(shù)是否匹配是影響涂層結(jié)合性的主要原因。由試驗(yàn)結(jié)果可知，Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層與閥芯球體的結(jié)合性能。 
經(jīng)過 100 次冷熱循環(huán)，Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層未產(chǎn)生任何明顯可見裂紋和剝離現(xiàn)象，而 WC-Co 金屬陶瓷涂層 6 次就出現(xiàn)了明顯裂紋，8 次就開始了脫落。Al2O3-TiO2 金屬陶瓷涂層由于具有較 WC-Co 金屬陶瓷涂層與基體更加匹配的線膨脹系數(shù)，因此其抗熱震性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 WC-Co 金屬陶瓷涂層。