啟閉機活塞桿表面高焓等離子噴涂Cr2O3·5SiO2·3TiO2/CoNiCrAlY梯度陶瓷涂層性能

程新闖，伏利，陳小明，趙堅，毛鵬展，劉偉，張磊

啟閉機活塞桿表面高焓等離子噴涂Cr2O3·5SiO2·3TiO2/CoNiCrAlY梯度陶瓷涂層性能

程新闖1，伏利2, 3，陳小明2, 3，趙堅2, 3，毛鵬展2, 3，劉偉2, 3，張磊2, 3

(1. 紹興市曹娥江大閘運行管理中心，紹興 312066；2. 水利部產品質量標準研究所浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，杭州 310012；3. 水利部杭州機械設計研究所水利機械及其再制造技術浙江省工程實驗室，杭州 310012)

為了解決曹娥江大閘期啟閉機活塞桿的磨損問題，利用高焓等離子噴涂技術制備黏結層為CoNiCrAlY，面層為Cr2O3·5SiO2·3TiO2的梯度陶瓷涂層，表征和分析了CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂層的微觀組織結構、顯微硬度、孔隙率、結合強度、沖擊韌性、抗磨損性能等，并分析陶瓷涂層的磨損機理。結果表明：涂層的平均孔隙率約為0.52%，平均顯微硬度約為1 334.6 HV0.2，結合強度均值達到61.7 MPa，抗摩擦磨損性能約為基體45#鋼的87.4倍，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層具有優良的抗磨損性能。Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層磨損機理為磨粒磨損和斷裂剝落。利用高焓等離子噴涂CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂層已經在曹娥江大閘啟閉機活塞桿上取得了良好的應用效果。

曹娥江；啟閉機活塞桿；高焓等離子噴涂；CoNiCrAlY；Cr2O3·5SiO2·3TiO2

啟閉機活塞桿是保證閘門正常啟閉運行的關鍵部件，其性能影響到閘門運行的安全可靠性[1?2]。液壓啟閉機活塞桿基材采用45#鋼，長期服役在海水環境中，并且活塞桿表面附著的沙塵、砂粒等雜物，極易造成活塞桿的磨損與腐蝕[3?5]。因此，如何提高啟閉機活塞桿的耐磨性和耐腐蝕性意義重大。目前在啟閉機活塞桿表面制備陶瓷涂層是解決磨損、腐蝕的重要技術。常用的制備技術主要有電鍍鉻技術、激光熔覆合金技術和等離子噴涂制備Cr2O3技術等[6?8]。電鍍鉻技術由于廢水中存在大量Cr6+，具有毒性而被逐步取代；激光熔覆合金技術存在熔覆層開裂的問題需要解決[9?11]。目前啟閉機活塞桿抗磨防腐常用超音速噴涂NiAl、NiCr涂層作為黏結層，再利用等離子噴涂制備Cr2O3面層技術，由于普通等離子噴涂制備Cr2O3涂層存在孔隙率高、結合力低等問題，并且采用超音速噴涂和等離子噴涂結合工藝增加了設備的投入成本[12?13]。本研究采用高焓等離子噴涂技術制備黏結層和面層，并研究涂層的微觀組織結構和抗磨損性能。

1 實驗

1.1 材料與涂層制備

黏結層噴涂用粉末為CoNiCrAlY，粉末粒徑10～45 μm，粉末各組分質量比例為：Cr-21%，Ni-32%，Al-8%，Y-0.5%，Co-余量；面層為Cr2O3·5SiO2·3TiO2復合粉末，粒度為5～63 μm，粉末各組分質量比例為：Cr2O3-92%、SiO2-5%、TiO2-3%。CoNiCrAlY粉末和Cr2O3·5SiO2·3TiO2粉末形貌如圖1所示。

試樣板基材為閘門啟閉機活塞桿常用材料45#鋼，基材尺寸為150 mm×70 mm×5 mm，并將表面打磨平整。用酒精清洗基材表面的油漬、污漬等，然后用噴砂機對其表面做粗化處理，處理后的表面粗糙度達到Ra8-12。噴涂采用SQC-100高焓等離子噴涂系統設備。黏結層和面層均采用等離子噴涂系統制備，CoNiCrAlY黏結層的制備工藝參數：功率85 kW，噴涂距離140 mm；Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層的制備工藝參數：功率92 kW，噴涂距離110 mm，厚度約200 μm。采用MOTOMAN六軸機器人控制噴涂距離、噴槍移動速度等工藝，噴槍移動速度為700 mm/s。

1.2 測試分析方法

將噴涂后的試樣板基材切割出10 mm×10 mm的金相試樣，先用PRESI熱鑲嵌機鑲嵌試樣，再用BUEHLER 自動磨拋機磨拋試樣。磨拋后的試樣置于光學顯微鏡中測定試樣的孔隙率，測10個不同區域求平均值；置于顯微硬度測試儀下測定試樣的顯微硬度，載荷200 g，加載時間10 s，測10個不同區域求平均值，利用型號為Zeiss Supra 55的FESEM觀察試樣截面的微觀結構。利用型號為PANalyticalX`Pert Powder的XRD對試樣做物相分析。根據《熱噴涂抗拉結合強度的測定》(GB/T 8642—2002)測試涂層結合力，試樣尺寸Ф25 mm，用FM1000薄膜膠黏接，在190 ℃固化，用型號為Smart test 5 t拉伸試驗機測試涂層結合強度。

圖1 原料(a)CoNiCrAlY和(b)Cr2O3·5SiO2·3TiO2的粉末形貌

沖擊韌性測試：先利用自主開發的沖擊韌性試驗機獲得試樣的沖擊凹坑，實驗參數：沖擊功== 17.25 J，球重量880 g，沖擊高度2 m。將沖擊凹坑置于RETC進口光學輪廓儀下觀測凹坑直徑和深度，對比分析試樣和基材的沖擊韌性。

2 結果與分析

2.1 涂層微觀結構

圖2(a)為CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂層斷面的微觀形貌，由圖可知，面層、黏結層、基體三者之間呈鋸齒形，涂層界面咬合緊密，結合牢固，并且涂層無明顯層狀結構。 圖2(b)為Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層局部放大圖，涂層致密、孔隙少且明顯無通孔。CoNiCrAlY黏結層的孔隙率趨近于零，Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層平均孔隙率約為0.52%，平均顯微硬度(HV0.2)約為1 334.6，平均結合強度約為61.7 MPa。涂層斷裂發生在面層之間，黏結層與面層之間結合良好，這主要由于CoNiCrAlY黏結層的熱膨脹系數介于45#鋼和Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層之間，具有良好的過渡作用，提高了涂層結合強度，改善了涂層的整體性能。Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層的孔隙率較低、顯微硬度較高，是由于高焓等離子噴槍功率高達100 kW、焰流速度高達6馬赫[14]，Cr2O3·5SiO2·3TiO2粉末粒子具有較高的動能和焓值。未熔融、半熔融Cr2O3·5SiO2·3TiO2粉末粒子高速撞擊基材后，扁平化程度較高，粒子之間咬合緊密，形成的涂層致密度高，涂層顯微硬度也隨之提高。

圖2 涂層截面形貌圖

2.2 涂層的結合強度

圖3所示為Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層的拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，涂層斷裂面凹凸不平，斷面處存在大量的圓形韌窩和微裂紋。韌窩主要是由于粉末顆粒以機械結合為主，在拉應力作用下脫落造成的。涂層微裂紋的形成一方面是由于在涂層形成過程中粉末顆粒間存在孔隙，一方面是由于涂層內部熱應力釋放，還有一方面是涂層中的孔隙、原有的裂紋是涂層中的薄弱環節，在拉應力的作用下，裂紋則沿涂層中的氣孔、孔隙、韌窩擴展，導致涂層斷裂。

圖3 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層拉伸斷口形貌

CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2梯度陶瓷涂層的平均結合強度約為61.7 MPa，涂層斷裂發生在表面層，黏結層與表面層之間結合良好，這主要由于CoNi- CrAlY黏結層的熱膨脹系數(約10×10?6/K)介于45#鋼熱膨脹系數(約12.5×10?6/K)和Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層熱膨脹系數(約8.5×10?6/K)之間，具有良好的過渡作用，提高了涂層結合強度，改善了涂層的整體 性能。

2.3 涂層的物相組成

圖4為Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層的XRD圖譜。由圖可知，涂層主要由綠鉻礦態Cr2O3、方晶石態SiO2、TiO2組成，Cr2O3在噴涂過程中沒有發生分解、氧化；也未與SiO2、TiO2在高溫下形成化合物相。涂層保持了原粉末的各項性能，制備的Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層性能穩定，這對涂層工程應用更為有利。

圖4 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層XRD圖譜

2.4 涂層抗沖擊韌性

圖5所示為基體與Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層在相同沖擊條件下的沖擊凹坑圖。通過軟件分析得到基體45#鋼的凹坑深度約50 μm，直徑約4.8 mm；Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層凹坑深度約35 μm，直徑約4.0 mm。在相同的沖擊功下，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層的變形小于基體45#鋼，說明了Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層沖擊韌性強于基體。沖擊韌性的提高有利于啟閉機活塞桿的抗磨損性能的提高，可有效抵抗外界雜物的沖擊破壞。

圖5 基體與Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層試樣的沖擊凹坑圖

2.5 涂層耐磨損性

將試樣和基體在同樣的條件下進行180 min的摩擦磨損實驗后稱量質量，CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3Ti-O2梯度陶瓷涂層的質量損失約為0.001 16，基體45#鋼的質量損失約為0.101 44，從質量損失來比較，Cr2O3·5SiO2·3TiO2陶瓷涂層抗磨損性能是基體的87.4倍。圖6為Cr2O3·5SiO2·3TiO2陶瓷涂層摩擦因數曲線圖，曲線在0～100 min內波動較大，一方面是在摩擦初期，涂層表面微凸體導致涂層對磨球產生不規則的振動所致；另一方面是隨著摩擦時間的延長，涂層表面微凸體脫落形成的磨削堆積在磨痕表面，導致對磨球產生不規則的振動所致。在100～180 min內摩擦因數曲線逐步穩定在0.35左右，這時磨損處于穩定期。而基體45#鋼的摩擦曲線變化范圍較大，在0.85～0.55之間，并且出現急劇升高和降低，在實驗中觀察發現，這主要是由于基體45#鋼硬度較低，產生的碎削在對磨球和基體之間出現堆積，從而導致摩擦因數急劇上升，隨著摩擦的繼續，碎削被磨平或因高溫作用消失，導致摩擦因數下降，但從整體看基體45#鋼的摩擦因數明顯高于Cr2O3·5SiO2·3TiO2陶瓷涂層。通過摩擦學理論可知，較低的摩擦因數代表著較優抗磨損性能。

圖7(a)為在低倍下觀察Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層磨損后的表面形貌圖，從圖中可以看到，涂層表面凹凸不平，并伴有因大量的涂層脫落形成的凹坑。這主要是由于Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層本身粗糙度較大，表面存在許多微凸物；涂層與對磨球之間在磨損過程中因表面粗糙度和涂層硬質相Cr2O3、軟質相SiO2、TiO2存在產生振動；在磨損過程中軟質相先被磨掉，導致硬質相凸出，在長時間摩擦磨損后，硬質相在持續、循環切應力作用下被磨平和剝離脫落形成凹坑。圖7(b)為在高倍下觀察Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層磨損后的表面形貌圖，可以發現涂層表面有較深的溝痕，并伴有微裂紋。這主要是因為在Cr2O3·5SiO2·3TiO2面層中存在一定量的孔洞、夾雜物以及大晶粒等缺陷，涂層在尺寸的壓應力作用下，容易在這些缺陷處形成裂紋源，引起涂層剝落形成磨削。另外Cr2O3是一種呈α-A12O3結構的六方晶胞結構[15]，斷裂韌性較差，涂層在受到局部的集中應力后斷裂而引起脫落，形成磨屑和裂紋，加劇了涂層的磨損。

圖6 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層與基體的摩擦因數曲線

圖7 Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層經過180 min摩擦磨損后表面的SEM形貌照片

Fig.7 Surface SEM morphologies of Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating after180 min friction and wear

3 結論

1) 高焓等離子噴涂方法制備的黏結層為CoNi- CrAlY、面層為Cr2O3·5SiO2·3TiO2的梯度陶瓷涂層致密，涂層平均孔隙率約為0.52%，平均顯微硬度(HV0.2)約為1 334.6，平均結合強度約為61.7 MPa， CoNiCrAlY黏結層起到了良好的過渡黏結作用。

2) 通過沖擊韌性試驗，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層的沖擊韌性明顯好于基體，該涂層對提高啟閉機活塞桿的抗磨損、抗沖擊性能具有積極的作用。

3) 通過摩擦磨損實驗，Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層的抗磨損性能是基體45#鋼的87.4倍，該涂層具有優良的抗磨損性能，并且該涂層成功應用到了曹娥江大閘的啟閉機活塞桿上，取得了良好的效果。

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Property of high-enthalpy plasma spraying Cr2O3·5SiO2·3TiO2/CoNiCrAlY gradient ceramic coating on the surface of the piston rod of the gate hoist

CHENG Xinchuang1,FU Li2, 3,CHEN Xiaoming2, 3,ZHAO Jian2, 3, MAO Pengzhan2, 3,LIU Wei2, 3,ZHANG Lei2, 3

(1. Operation and Management Center of Cao’e River Sluice, Shaoxing 321066, China;2. Key Laboratory of Surface Engineering of Equipment for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province , Standard & Quality Control Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China; 3. Water Machinery and Remanufacturing Technology Engineering Laboratory of Zhejiang Province, Hangzhou Mechanical Design Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China)

In order to solve the problem of the wear of the piston rod of the gate hoist during the Cao’e river sluice, the high-enthalpy plasma spraying technology was used to prepare a gradient ceramic coating with a bonding layer of CoNiCrAlY and a surface layer of Cr2O3·5SiO2·3TiO2. The microstructure, microhardness, porosity, bonding strength, impact toughness, and wear resistance of the CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating were characterized and analyzed, and the wear mechanism of the ceramic coating was also analyzed. The results show that the average porosity of the coating is about 0.52%, the average microhardness is about 1 334.6 HV0.2, the average bonding strength is 61.7 MPa, and the friction and wear resistance is about 87.4 times that of the base 45#steel. The Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating has excellent anti-wear properties. The wear mechanism of Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating is abrasive wear, fracture and peeling. The CoNiCrAlY/Cr2O3·5SiO2·3TiO2coating has achieved good application effects on the piston rod of the gate hoist of Cao’e River.

Cao’e River; piston rod of gate hoist; high-enthalpy plasma spraying; CoNiCrAlY; Cr2O3·5SiO2·3TiO2

TG174.4

A

1673-0224(2021)05-436-06

浙江省科技計劃項目(2019C04019)；浙江省科技計劃項目(G C19E090001)

2021?04?06；

2021?06?02

伏利，碩士，高級工程師。電話：0571-88082819；E-mail: fulitop@163.com

(編輯 高海燕)