超音速火焰喷涂ＷＣ・ＣｏＣｒ

涂层组织及耐腐蚀性

洪晟１，吴玉萍１，秦玉娇１，郑源２

（１．河海大学力学与材料学院，江苏南京２１００９８；２．河海大学能源与电气学院，江苏南京２１００９８）

摘要：为了提高潮汐电站金属部件的耐腐蚀性，采用超音速火焰喷涂技术在

Ｑ２３５钢基体表面上制备了约２３０１山ｍ的ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层。采用金相显微镜和Ｘ射线衍射仪等对涂层的组织结构进行了观察和分析；在电化学工作站上对ＷＣ．ＣｏＣｒ

涂层与镀铬层的耐腐蚀性能进行试验研究。结果表明：ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层由ＷＣ和

Ｃｏ，Ｗ，Ｃ相组成，组织致密，平均孔隙率为１．５％，硬度为１３１７Ｈｖ。．，，涂层在３．５ｗｔ．％ＮａＣｌ溶液中的电化学腐蚀性能优于镀铬层。

关键词：超音速火焰喷涂；涂层；组织结构；腐蚀

１引言

能源问题是世界各国面临的重大难题，国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的

优先领域，而利用潮汐能发电是海洋可再生能源生产的重要途径之一［１，２］。然而国内外的

研究与运行实践表明，潮汐电站机组长期在盐雾和海水里运行，导致金属构件极易被腐

蚀，造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短，严重影响机组的稳定和安全。因

此如何解决潮汐电站水轮机的腐蚀问题是保障潮汐能发电系统能否持续可靠运行的关键

之一。为了提高这些水轮机零部件的使用寿命，人们相继引入了各种先进涂层材料及表面技

术，其中热喷涂技术是目前应用最为广泛的表面涂层制备技术之一［２。４］。超音速火焰喷涂

技术具有高速（可使颗粒获得高的动能和较短的氧化暴露时间）和相对较低的温度这两个

重要特征，所得涂层硬度、强度高，孔隙率低，涂层与基体结合强度高，尤其适合于ＷＣ．Ｃｏ基复合涂层的制备∞’６Ｊ。

基金项目：海洋可再生能源专项资金资助项目（ＧＨＭＥ２０１１ＣＸ０２）。作者简介：洪晟（１９８８一），男，博士研究生，主要从事热喷涂技术的研究，Ｅｍａｉｌ：ｈｏｎｇｓｈｅｎｇｌ９８８０１ｌｌ＠ｙａ．ｈｏｏ．ｃｏｎＬｃｎ。

通讯作者：吴玉萍，女，教授，Ｅｍａｉｌ：ｗｕｙｕｐｉｎｇ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。超音速火焰喷涂ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层组织及耐腐蚀性４１１

对于ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层来说，Ｃｒ的加入不仅能改善涂层的抗腐蚀能力，而且显著提高ＷＣ

颗粒与ｃｏ粘结相的结合。因此，ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层被成功用于水力机械部件的表面防护…。本文研究了超音速火焰喷涂ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层的组织及耐腐蚀性能，并与镀铬层进行了对比，

可为潮汐电站水轮机零部件防护技术的建立提供技术支持。

２试验材料与方法

２．１涂层的制备

试验用粉体为商用ＷＣ一１０Ｃｏ－４Ｃｒ粉，采用团聚烧结工艺制备，呈颗粒状，粒径为

１５—４５¨ｍ。基体材料为Ｑ２３５普通碳素钢，喷涂试样尺寸为１５ｍｍ×５ｍｍ×３ｍｍ。喷涂前先用丙酮清洗试样表面，然后用白刚玉磨料对试样表面进行喷砂粗化处理。采用ＪＰ８０００型超

音速火焰喷涂系统制备ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层，以航空煤油为燃料，氧气为助燃气，氮气为送粉气，

喷涂过程中，喷涂距离为４００ｍｍ，氧气流量为８０２Ｌ・ｍｉｎ～，煤油流量为０．４４Ｌ・ｍｉｎ～，氮

气流量为１０．８６Ｌ・ｍｉｎ～，送粉器转速５ｒ・ｍｉｎ‘。，喷枪移动速度２８０ｍｍ・ｓ～。

２．１涂层分析与试验方法

利用ＯＬＭＰＵＳ—ＢＸ５１Ｍ型光学显微镜观察涂层截面的显微结构；采用Ｄ８型ｘ射线衍射仪对涂层进行相结构分析。采用ＨＸＤ．１０００显微硬度计测定涂层截面的显微硬度，测试载

荷为１００９，载荷持续时间１５ｓ，测定５个值，取其平均值作为测定结果。电化学腐蚀试验采用ＰＡＲＳＴＡＴ２２７３ＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ型电化学仪器，参比电极采用２３２型饱和甘汞电极。腐蚀液为３．５ｗｔ．％ＮａＣｌ溶液，试样在溶液中浸泡１ｈ

后进行电化学腐蚀测试。

３试验结果与讨论

３．１涂层组织形貌

图１为ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层的截面形貌图，涂

层的层状结构不明显，厚度约为２３０斗ｍ。涂层致密、孔隙率较低，用图像处理法测得涂

层的孔隙率约为１．５％。涂层与基体结合紧密、互相嵌合，交界处为波浪形不平整界面，

涂层与基体的结合以机械结合为主。

３．２涂层的相结构

图２（ａ）、２（ｂ）分别为ＷＣ．ＣｏＣｒ粉末图１涂层的截面形貌

Ｆｉｇ．１ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇ

和涂层的ｘ射线衍射图谱，从图谱上可以看出ＷＣ．ＣｏＣｒ粉末由ＷＣ和Ｃｏ相组成，而ＷＣ—

ＣｏＥｒ涂层则由ＷＣ和Ｃｏ，Ｗ，Ｃ相组成。在２０＝４０。处出现了一个宽化漫衍射峰，同时在漫４１２第二届中国海洋可再生能源发展年会暨论坛论文集

衍射峰上还叠加着晶化相衍射峰，这说明在超音速火焰喷涂ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层中除了含有非

晶相外，还有一部分晶化相存在。

２ｔｈｅｔａ（ｄｅｇ．）

图２ＸＲＤ图谱（ａ）ＷＣ—ＣｏＣｒ粉末；（ｂ）ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层

Ｆｉｇ．２ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓ（ａ）ＷＣ—ＣｏＣｒｐｏｗｄｅｒ；（ｂ）ＷＣ・ＣｏＣｒｃｏａｔｉｎｇ

３．３涂层显微硬度

图３是ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层截面的显微硬度沿截面方向分布。从图上可以看出，涂层的硬度

在１２００—１５００Ｈｖ。．。之间变化，涂层的平均硬度达到了１３１７Ｈｖ。．，，明显高于基体

（２２４Ｈｖ。．。），约为基体硬度的６倍。ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层硬度高是因为喷涂过程中钴、铬粘结相

首先熔化，ＷＣ硬质相在温度高于１７７３Ｋ时开始熔解于钴、铬液相中，而喷涂火焰温度低

于此，大多数硬质相颗粒保留在涂层中‘８Ｉ。

图３涂层的硬度分布图

Ｆｉｇ．３Ｈａｒｄｎｅｓｓｐｒｏｆｉｌｅａｃｒｏｓｓｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇ

３．４涂层的抗腐蚀性

图４是ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层和镀铬层的电化学Ｔ如ｌ极化曲线。可以看出ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层的超音速火焰喷涂ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层组织及耐腐蚀性４１３

腐蚀电位（一４１０ｍＶ）高于镀铬层（一６３２ｍＶ），ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层的腐蚀电流密度

（２．０２ｌｘＡ・ｃｍ。２）略小于镀铬层（２．９１“Ａ・ｃｍ。２）。以“电位越高、电流密度越小，耐腐蚀性越好”为原则，ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层的耐电化学腐蚀性能优于镀铬层。

图４涂层的电化学Ｔａｆｅｌ极化曲线

Ｆｉｇ．４ＴａｆｅｌｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣＯｌ＇ｙｅｓｏｆＨＶＯＦｓｐｒａｙｅｄＷＣ—ＣｏＣｒｃｏａｔｉｎｇａｎｄｈａｒｄｃｈｒｏｍｉｕｍｃｏａｔｉｎｇｉｎ３．５ｗｔ．％ＮａＣｌ

ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层的腐蚀取决于ＷＣ硬质相与ＣｏＣｒ粘结相之间形成的腐蚀微电池和涂层

中孑Ｌ隙等缺陷的多少。在腐蚀过程中，Ｃｒ元素的存在能有效地促进钝化膜的形成，改善涂

层的抗腐蚀能力，然而孔隙底部的腐蚀电位要比孔隙外表面（有钝化膜存在）的腐蚀电位

低，构成了大阴极小阳极的腐蚀微电池，使孔隙中的金属表面以较大的阳极电流密度溶解，且孔隙处形状有突变，表面自由能较高，容易导致涂层表面钝化膜的破裂旧Ｊ，加速孔隙的腐蚀。

图５是ＷＣ－ＣｏＣｒ涂层和镀铬层的电化学阻抗曲线。从图中可以看出，ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层

与镀铬层都显示出半弧形的阻抗弧，但是ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层的阻抗弧半径要大于镀铬层。这

表明ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层和镀铬层的电化学腐蚀机理相似，但是腐蚀速率不同，ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层

的腐蚀速率要小于镀铬层。这也验证了ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层的耐电化学腐蚀性能优于镀铬层。

ＷＣ—ＣｏＣｒ涂层优良的耐腐蚀性为该涂层在潮汐电站上的应用成为可能。

们￡ｅ－ｏ—ＥＮ

图５涂层的电化学阻抗曲线

Ｆｉｇ，５ＥＩＳｃｕｒｖｅｓ（Ｎｙｑｕｉｓｔｄｉａｇｒａｍｓ）ｏｆＨＶＯＦｓｐｒａｙｅｄＷＣ—ＣｏＣｒｃｏａｔｉｎｇａｎｄｈａｒｄｃｈｒｏｍｉｕｍｃｏａｔｉｎｇｉｎ３．５ｗｔ．％ＮａＣｌ４１４第二届中国海洋可再生能源发展年会暨论坛论文集

４结语

（１）超音速火焰喷涂ＷＣ．ＣｏＣｒ涂层由ＷＣ和Ｃｏ，Ｗ３Ｃ相组成，组织致密，孔隙率为

１．５％，显微硬度为１３１７Ｈｖ０１。（２）ＷＣ－ＣｏＣｒ涂层在３．５ｗｔ．％ＮａＣｌ溶液中的电化学腐蚀性能优于镀铬层。这是由于

涂层中ｃｒ元素的存在提高了金属的电极电位，在涂层表面形成一层耐蚀的钝化膜。

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