【研究综述】河北工程大学李阳副教授等：超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀及影响因素研究进展
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2024-10-18 16:00
重庆
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超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层作为一种耐空蚀保护涂层，以其优异的性能被广泛应用于流体机械的过流部件。本文概述了空蚀破坏的机制和超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层的制备过程，同时从内因和外因两方面归纳了影响此类涂层空蚀行为的因素。在此基础上，从喷涂粉末因素、喷涂制备因素、工况因素、力学性能、空蚀机理，以及与其他涂层的比较等几个方面重点综述了近年来国内外学者对超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀行为研究的重要成果。喷涂粉末因素主要与WC颗粒的尺度、Cr元素及稀土元素等有关；喷涂制备因素主要与喷涂工艺（助燃气体、燃料、燃烧室压力、喷嘴几何形状及喷涂粒子速度等）和喷涂后处理（封孔和磨抛处理）有关。喷涂粉末因素和制备因素会影响涂层的显微组织结构（元素分布、物相组成、孔隙率及层间结构等）和力学性能（显微硬度、断裂韧性、结合强度及残余应力等），进而影响涂层的抗空蚀性能。此外，涂层的破坏程度还受到空蚀时间和所处介质的腐蚀和流速的影响。最后，对超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀研究的发展方向进行了展望。
影响超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层空蚀行为的因素可分为外因和内因两个方面，如图3所示。外因，即工况因素，主要包括空蚀时间和空蚀介质。内因主要有材料力学性能和显微组织结构，力学性能主要涉及显微硬度、断裂韧性、结合强度、残余应力等；显微组织结构主要与元素分布、物相组成、孔隙率、层间结构等有关。其中，力学性能和显微组织结构由涂层制备过程中所用喷涂粉末、喷涂工艺、喷涂后处理等因素决定。喷涂粉末因素主要与WC颗粒尺度、Cr元素及稀土元素等有关；喷涂工艺因素主要有助燃气体种类、燃料种类及其他因素（喷距、送粉量、喷涂方式等）；喷涂后处理因素主要与封孔处理、磨光处理及抛光处理等有关。从图12可以清晰观察到，随着空蚀时间的延长，涂层表面空蚀坑的数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，未破坏表面面积逐渐减小。![]()
图16a~f展示了超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr涂层中空蚀裂纹的SEM形貌，在观察图16a~f中SEM形貌的基础上总结得到了空蚀机理，如图16g所示。超音速火焰喷涂WC-10Co-4Cr涂层空蚀机理大致可分为4个过程，即空蚀裂纹萌生、扩展、连接和涂层材料剥落。在空蚀初期，在空泡溃灭形成的冲击波和微射流作用下，涂层表面孔隙周围会出现应力集中，进而孔隙周围材料会发生塑性变形。由于硬质陶瓷相WC与金属黏结相CoCr的晶体结构不同，两者的变形不一致，将会导致微裂纹的萌生。一旦形成空蚀裂纹，在空泡溃灭形成的冲击波和微射流反复攻击下，空蚀裂纹将在涂层内部迅速扩展（穿越WC颗粒或沿WC颗粒与黏结相CoCr扩展）。随着空蚀时间的延长，涂层空蚀裂纹相交或终结于涂层内部孔隙处，最终引起涂层材料的剥落。![]()
超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层可有效增强基体材料抗空蚀破坏的能力，是一种性能优异的耐空蚀涂层。从目前的研究来看，针对这种涂层空蚀行为的研究已取得一些重要成果。由于超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层的显微组织结构、力学性能、工况条件等与空蚀破坏之间的关系较复杂，因此其空蚀行为还未被完全理解。为了更好地将超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层应用于流体机械的抗空蚀领域，还有许多尚未解决的问题需要科研人员重点关注和深入研究，主要体现在以下几个方面。
1）国内外一些学者通过研究温度与金属材料的空蚀行为发现，介质温度是影响材料空蚀行为的一个重要因素。目前，针对超音速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层的空蚀研究大多在常温溶液中进行，非常温介质中的空蚀研究还需要深入探索。研究不同温度介质中的空蚀行为，可为此涂层在不同季节、纬度和深度水域中的工程应用提供理论基础。2）针对WC-Co-Cr涂层在不同流速、含沙量和腐蚀浓度介质中的研究较少。此外，目前海洋污染较严重，研究涂层在模拟污染海水中的空蚀情况具有一定现实意义，值得关注。3）目前，国内外学者对WC-Co-Cr涂层空蚀行为中交互作用的研究大多集中于腐蚀-空蚀交互作用，针对冲蚀-空蚀交互作用及冲蚀-空蚀-腐蚀交互作用的研究还鲜有报道。4）目前，无论采用哪种超音速火焰喷涂工艺，WC的脱碳行为都不可避免，而WC的脱碳势必影响涂层的显微组织结构和力学性能，进而影响涂层的抗空蚀性能。在制备WC-Co-Cr过程中，如何优化喷涂工艺，尽可能降低WC的脱碳行为，依然是相关研究的重点。5）封孔效果随着孔隙率和孔隙尺寸的减小而变差，因此开发适合于不同结构孔隙且有效封闭的封孔剂或喷涂后处理方法依然是制备应用于腐蚀介质的超音速火焰喷涂涂层面临的挑战。该文章发表在《表面技术》编辑部第53卷第17期。
引文格式：封茂, 廉影, 李阳, 等. 超音速火焰喷涂 WC-Co-Cr 涂层空蚀及影响因素研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 1-16.
FENG Mao, LIAN Ying,
LI Yang, et al. Research Progress in Cavitation Erosion Behavior and Affecting
Factors of WC-Co-Cr Coatings Sprayed by HVOF[J]. Surface Technology, 2024,
53(17): 1-16.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.001
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