试验研究文章编号:1000 7466(2010)增刊1 0001 04热喷涂氧化铝、碳化钨涂层性能研究任 武1,李晓明2,石成刚1(1.江汉机械研究所,湖北荆州 434000; 2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 730070)摘要:采用爆炸喷涂、超音速喷涂工艺制备了氧化铝、碳化钨涂层,并对2种涂层基本性能以及腐蚀、摩擦磨损特性进行比较分析。
结果表明,超音速喷涂碳化钨涂层具有低孔隙率、高硬度、高结合强度、低表面能特点以及优异的耐蚀、耐磨性能。
由于在喷涂过程中发生相变,爆炸喷涂氧化铝涂层产生了亚稳定相 Al2O3,在酸性环境下遭到腐蚀,其综合性能比碳化钨涂层差。
关键词:氧化铝涂层;碳化钨涂层;腐蚀;磨损中图分类号:TG174 452 文献标志码:AStudy of Thermal Spray Alumina and Tungsten Carbide C oating PropertiesREN Wu1,LI Xiao ming2,SHI C heng gang1(1.Jianghan Petroleum M achinery Research Institute,Jing zhou434000,China;npec T echno logies Lim ited,Lanzhou730070,China)Abstract:Deto nation spr ay ing and high velocity o xy fuel(H VOF)thermal spraying are used fo r alumina and tungsten carbide co ating.T hen the basic proper ties o f the coating ar e analyzed,as w ell as their corro sion,friction and w ear character istics.T he results show ed that,hig h velocity ox y fuel thermal spraying tung sten car bide coatings have low porosity,high hardness,high adhe sion strength,lo w surface energ y character istics and ex cellent corro sion resistance,and w ear re sistance,due to the cr eation of a m eta stable phase A l2O3during the spr ay,the detonation spraying aluminum co ating is eroded in the acidic environment.So its pr operty is w orse than the tungsten car bide coating.Key words:alumina co ating;tungsten carbide coating;corrosion;w ear characteristic陶瓷材料的化学结构式中一般为共价键或者离子键结构,键能高,原子间结合力强,表面能低。
因此,陶瓷涂层具有化学稳定性高、硬度高、熔点高、摩擦因数小以及独特的电、磁性能,可被广泛应用于特殊的工况环境,改善和提高机械零部件的使用可靠性。
利用热喷涂技术在工件表面制备陶瓷功能性涂层,能以较低的成本和便利的操作实现工业化生产。
目前,热喷涂氧化铝涂层和碳化钨涂层作为常用的耐蚀、耐磨陶瓷涂层在各个行业得到了广泛的应用[1~9],但关于这2种涂层之间的性能比较尚未见报道。
有鉴于此,笔者通过摩擦磨损试验对这2种陶瓷涂层的综合性能进行比较,以便为其选用提供试验依据。
1 摩擦磨损试验1.1 试验材料试验用氧化铝粉末中T iO2的质量分数为第39卷 增刊1 石 油 化 工 设 备 V ol 39 Supplement1 2010年8月 P ET RO CH EM ICAL EQ U IPM EN T A ug 2010收稿日期:2010 03 25作者简介:任 武(1982 ),男,陕西西安人,工程师,硕士,从事材料表面处理及腐蚀防护方面的研究和应用工作。
20%,粒度为25~45 m;试验用碳化钨粉末WC 10Co4Cr粒度为15~45 m。
试验涂层的基体材料为45钢。
金相和表面能检测试样尺寸为50mm 20mm5m m,胶结拉伸结合强度试样尺寸为 25.4m m60mm,腐蚀试样尺寸为 30mm 50mm,摩擦磨损销试样尺寸为10mm10mm 14mm。
1.2 试验方法氧化铝粉末喷涂工艺参数:喷涂距离180mm,乙炔体积流量1.5m3/h,氧气体积流量2.4m3/h,氮气体积流量0.3m3/h,爆炸频率4次/s,线速度500mm/min,粉末输送的质量流量25g/min。
碳化钨粉末喷涂工艺参数:喷涂距离380mm,氧气体积流量943L/min,燃油体积流量22.8L/h,线速度500mm/min,粉盘转速7.5r/min、枪管长度为15cm。
腐蚀试验采用浸泡法,试验溶液配方为15% H Cl+3%H F(质量分数),试验温度为18!。
摩擦磨损试验在自行研制的DSK 3型多功能数控摩擦磨损试验机上进行。
试验在常温、常压下进行,载荷300N,转速为300r/min,每对试验摩擦副的摩擦时间为60m in,润滑介质为水,摩擦匹配副为丁腈橡胶。
氧化铝粉末喷涂采用乌克兰生产的Dnepr 3型爆炸喷涂设备,碳化钨粉末喷涂采用普莱克斯公司生产的JP 5000型超音速喷涂设备。
2 试验结果及分析2.1 涂层金相、硬度及结合强度图1和图2分别为氧化铝涂层和碳化钨涂层的金相组织,可以看出氧化铝涂层存在较多的孔隙和夹杂物,而碳化钨涂层几乎没有孔隙和夹杂,涂层均匀致密,与基体结合良好。
在某些应用条件下,涂层图1 氧化铝涂层图2 碳化钨涂层中的空隙对提高涂层的使用性能是有益的,例如对于油润滑条件下的耐磨涂层、高温下使用的热障涂层等。
对于腐蚀环境,涂层中夹杂物的存在会降低涂层的化学稳定性。
当腐蚀介质与夹杂物相遇时,夹杂物与腐蚀介质中的离子发生化学反应而溶解。
夹杂物溶解,体积膨胀,造成局部区域的应力增大,促使涂层内裂纹的形成和扩展。
涂层的孔隙为腐蚀液渗入提供了便利通道,缝隙腐蚀更加速了失效。
涂层的结合强度是涂层的一个重要指标,结合强度较低会导致涂层在使用过程中脱落,而硬度对耐磨性有很大的影响。
经测试,试验氧化铝涂层的平均硬度为737H V0.3,碳化钨涂层的平均硬度为1030H V0.3,氧化铝涂层与基体材料结合强度的平均值为49.2M Pa(在涂层与基体之间开裂),碳化钨涂层与基体材料结合强度的平均值为76MPa(在胶黏剂层开裂)。
2.2 相结构分析图3和图4分别为氧化铝粉末及其涂层的X 射线衍射图,由图3和图4可以看出,氧化铝原始粉末以 A l2O3为主,其次还含有一定量的T iO2。
而喷涂后的氧化铝涂层则由 Al2O3和 Al2O3构成,另外还有少量的化合物。
这是由于在喷涂过程中熔融的A l2O3冷却时,因 Al2O3与熔体的界面图3 氧化铝粉末X射线衍射图∀2∀ 石 油 化 工 设 备 2010年 第39卷图4 氧化铝涂层X 射线衍射图能小于 A l 2O 3,因此,首先在熔融的Al 2O 3内形成 Al 2O 3核心,在随后的冷却中,依据冷却速度的不同,所发生的相变也不同。
对于尺寸较小的Al 2O 3熔滴,由于冷却速度较快, Al 2O 3一直保持到室温。
而对于直径较大的熔滴,因其冷却速度较慢,将转变为 A l 2O 3[10,11]。
图5和图6分别为碳化钨粉末及其涂层的X 射线衍射图,原始粉末以WC 为主,而喷涂后的涂层出现了一定量的W 2C,但仍以WC 为主,说明喷涂过程中出现了脱碳现象。
图5 碳化钨粉末X射线衍射图图6 碳化钨涂层X 射线衍射图2.3 表面能表面能低是陶瓷材料的重要特性之一,较低的表面能会减少垢物吸附及形核,避免材料表面结垢。
通过测量接触角计算得出的试验氧化铝涂层表面能为37.6kJ/m 2、碳化钨涂层表面能为33.9kJ/m 2、镀铬层表面能为59.9kJ/m 2。
这个结果说明氧化铝涂层和碳化钨涂层均具有较低的表面能,可作为防垢涂层使用。
2.4 耐腐蚀性能图7和图8分别为氧化铝涂层、碳化钨涂层经过腐蚀后的形貌。
由图7和图8可以看出,浸泡3h 的氧化铝涂层表面出现鼓泡以及颜色改变现象,涂层开始失效。
Al 2O 3与H Cl 和H F 并无反应,这是因为在喷涂过程中发生相变,产生了亚稳定相 Al 2O 3,在H Cl 与H F 混合溶液中产生了如下化学反应:T iO 2+H F #H 2[T iF 6]+H 2OAl 2O 3+H Cl #A lCl 3+H 2O上述反应导致氧化铝涂层腐蚀失效。
而碳化钨涂层经过72h 浸泡后表面仍然光亮,并无腐蚀现象产生,这是由于喷涂后的涂层组织以WC 和W 2C 为主,这两相均不会与酸反应。
图7 氧化铝涂层浸泡3h 形貌图8 碳化钨涂层浸泡72h 形貌2.5 摩擦磨损性能在同样条件下对2种涂层与丁腈橡胶摩擦后丁腈橡胶的磨损量测定的结果为: 氧化铝涂层对丁腈橡胶磨损量为465mm 3。
∃碳化钨涂层对丁腈橡胶的磨损量为87mm 3。
结果表明,碳化钨涂层对丁腈橡胶的磨损量要小于氧化铝涂层。
摩擦因数测定显示,氧化铝涂层的平均摩擦因数为0.1363,碳化钨涂层的平均摩擦因数为0.1048,2种涂层的摩擦∀3∀ 增刊1 任 武,等:热喷涂氧化铝、碳化钨涂层性能研究文章编号:1000 7466(2010)增刊1 0004 04板翅结构应力分析孙伟松,高 嵩,石凤涛(山东省特种设备检验研究院淄博分院,山东淄博 255030)摘要:对板翅结构的翅片和隔板应力计算进行了理论分析,并用有限元法软件ABAQU S对理论计算公式进行了验证和修正,得到了板翅结构应力计算公式,为工程快速设计提供了方法。
计算结果表明,翅片应力与翅片内距和翅片厚度的比值(a/!)呈线性关系,与隔板厚度、翅片高度以及弹性模量等参数无关。
隔板应力与翅片内距和隔板厚度的比的平方(a2/b2)呈线性关系,与翅片高度以及弹性模量等参数无关。
关键词:板翅结构;应力分析;理论计算;有限元中图分类号:TQ051 503 文献标志码:AStress Analysis of Plate Fin StructureSUN Wei song,GAO Song,SHI Feng tao(Zibo Division of Shando ng Special Equipment Inspection Institute,Zibo255030,China)Abstract:T he stress calculatio n form ula in plate fin structure w as deducedby using theoretical derivatio n.And the theor etical for mula w as prov ed and modified by finite element code ABAQUS,因数相差不大,但碳化钨涂层摩擦因数的波动性小于氧化铝涂层。