纳米WC增强Ni基合金喷熔层抗泥浆冲蚀磨损性能的研究毕业论文

2020-02-13 08:02

摘要

本文对受泥浆冲蚀磨损的零件进行研究，分析零件的冲蚀磨损机理，并采用表面强化的方法，制备喷熔层并进行泥浆冲蚀试验，最终得出纳米WC增强Ni基合金喷熔层能够最有效的提高零件的抗泥浆冲蚀磨损能力。喷熔层的材料选用Ni基自熔合金粉末，使用氧乙炔火焰喷熔工艺制备喷熔层并进行抗泥浆冲蚀磨损试验是本文的核心内容。分别准备Ni60A、Ni60CuMo、NiWC35、70wt.%Ni60CuMo 30wt.%WC-12Co四种不同成分及比例的Ni基自熔合金粉末，使用氧乙炔喷熔设备将混合粉末喷熔于基材表面进行涂层制造，并通过试验探究金属元素、纳米WC、微米WC材料对喷熔层抗泥浆冲蚀磨损性能的影响。分别测试四种喷熔层表面的洛氏硬度，并采用多头立式泥沙磨损试验机对四种喷熔层进行泥浆冲蚀磨损试验，得出每种喷熔层的失重数据，并通过试验结果计算出每种喷熔层的体积损失率以及累计体积损失，得出冲蚀磨损的体积损失与试验时间的关系：喷熔层的泥浆冲蚀磨损体积损失可分为三个阶段:快速增长期、调整期、稳定期。由试验数据仍可得出四种喷熔层的抗泥浆冲蚀磨损能力：Ni60CuMo型喷熔层的的体积损失仅有Ni60A型喷熔层的三分之一，其抗冲蚀磨损性能优于Ni60A型喷熔层，含有微米WC颗粒的NiWC35型喷熔层性能较好，其体积损失为Ni60A型喷熔层体积损失的五分之三，而加入纳米WC颗粒的喷熔层性能最优，其体积损失仅为Ni60A喷熔层的五分之一。综合分析结论，选用纳米碳化钨增强镍基合金制备的喷熔层具有最良好的抗泥浆冲蚀磨损的性能。

关键词：抗泥浆冲蚀磨损；纳米WC；镍基合金喷熔层；氧乙炔焰喷熔技术

Abstract

In this paper, the erosion wear mechanism of mud is studied, and the erosion wear mechanism of the parts is analyzed. The surface strengthening method is used to prepare the spray-melting layer and the mud erosion test is carried out. It is concluded that the nano-WC reinforced Ni-based alloy spray-melting layer can The most effective way to improve the resistance of the part to mud erosion. The spray-melting layer is made of Ni-based self-fluxing alloy powder material. The preparation of spray-melting layer by oxyacetylene flame spray melting process and anti-mud erosion wear test is the core content of this paper. Prepare Ni-based self-fluxing alloy powders with different ratios of Ni60A, Ni60CuMo, NiWC35, 70wt.%Ni60CuMo 30wt.%WC-12Co, and spray the mixed powder on the surface of the substrate for coating with oxyacetylene spray equipment. Manufactured and explored the effects of metal elements, nano-WC, and micro-WC materials on the erosion resistance of the sprayed layer against mud. The Rockwell hardness of the four sprayed layers was tested separately, and the four sprayed layers were subjected to mud erosion wear test using a multi-head vertical sand abrasion tester. The weight loss data of each sprayed layer was obtained and tested. Results The volume loss rate and cumulative volume loss of each sprayed layer were calculated, and the relationship between the volume loss of erosion wear and the test time was obtained. The mud erosion wear of the sprayed layer can be divided into three stages: rapid growth period, Adjustment period, stable period. From the test data, the erosion resistance of the four sprayed layers can be obtained: the volume loss of the Ni60CuMo sprayed layer is only one third of that of the Ni60A sprayed layer, and its erosion and wear resistance is better than that of Ni60A. The spray-melting layer has a good performance of NiWC35 spray-melting layer containing micro-WC particles, and its volume loss is Three-fifths of the volume loss of Ni60A-type spray-melting layer. The spray-melting layer with nano-WC particles has the best performance and its volume loss is only It is one fifth of the sprayed layer of Ni60A. Based on the comprehensive analysis, the spray-melted layer prepared by using nano-tungsten carbide reinforced nickel-based alloy has the best resistance to mud erosion wear.

Key words: anti-mud erosion wear; nano-WC; nickel-based alloy spray-melting layer; oxygen-acetylene flame spray melting technolog

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2冲蚀磨损 1

1.3冲蚀磨损的危害 1

1.4研究内容 2

1.5国内外研究现状 2

1.6本章小结 3

第2章冲蚀磨损分析 4

2.1泥浆冲蚀磨损的影响因素 4

2.1.1冲蚀角度 4

2.1.2冲蚀时间 4

2.1.3冲蚀速度 5

2.1.4冲蚀液酸碱度 5

2.1.5冲蚀颗粒的物理性质 5

2.2冲蚀磨损的磨损机理 5

2.3受泥浆冲蚀磨损零件的失效分析 6

2.4抗泥浆冲蚀磨损的方法 7

2.4.1高性能材料整体制造 7

2.4.2结构优化设计 7

2.4.3表面强化技术 7

2.5抗泥浆冲蚀磨损的涂层材料 8

2.6本章小结 9

第3章纳米WC增强Ni基合金喷熔层材料选择与设计 10

3.1 制备喷熔层的常用材料 10

3.1.1 Fe基合金 10

3.1.2 Ni基合金 10

3.1.3 Co基合金 10

3.1.4 Cu基合金 11

3.1.5 含WC型合金 11

3.1.6 本文选择的材料 11

3.2 Ni基合金涂层常用的制备工艺 12

3.2.1激光熔覆 12

3.2.2 等离子喷熔 12

3.2.3氧乙炔火焰喷熔 12

3.2.4本文选择的制备工艺 13

3.3纳米WC增强Ni基合金喷熔层制备 13

3.3.1 喷熔层制备参数 13

3.3.2 喷熔层制备工艺 15

3.3.3 喷熔层制备步骤 15

3.4本章小结 16

第4章纳米WC增强Ni基合金喷熔层性能试验 18

4.1抗泥浆冲蚀磨损性能试验装置 18

4.2抗泥浆冲蚀性能试验设计 18

4.2.1 试验参数 19

4.2.2 试验步骤 19

4.3抗泥浆冲蚀磨损试验结果 19

4.3.1 试验数据记录 19

4.4冲蚀磨损试验的数据处理与性能分析 21

4.4.1 喷熔层的硬度 21

4.4.2 喷熔层的抗冲蚀磨损性能 22

4.5纳米WC增强Ni基合金喷熔层的冲蚀磨损机理分析 26

4.6本章小结 27

第5章结论 28

参考文献 29

致谢 32

第1章绪论

1.1引言

机械零件的使用过程中，表面损伤以及断裂是零件失效的主要原因之一，而在某些气固或液固混合的环境中工作的零件，会受到微小的固体颗粒与流体的冲击造成冲蚀磨损的损伤，缩短了零件的使用寿命。据统计，因冲蚀磨损造成的锅炉系统中管道破损引发的事故占该类事故的1/3；冲蚀磨损也是造成泥浆泵失效的主要原因。因此，通过对特定环境下工作的零件所受的泥浆冲蚀磨损进行研究，设计出良好的抗泥浆冲蚀磨损涂层，具有重要的意义与经济价值。本文选用氧乙炔喷熔设备将Ni基自熔合金粉末喷熔于零件表面进行涂层制备。通过试验，得出纳米级WC增强Ni基合金材料制备的涂层的抗冲蚀磨损性能最好，由于Ni基合金具有良好的抗腐蚀的性能，加入硬度高、耐磨损性好的WC材料后，可有效地减少冲蚀磨损造成的表面损伤，提高材料的硬度，增加零件的寿命。

1.2冲蚀磨损

冲蚀磨损是指小而不连续的粒子随气体或液体冲击材料表面而导致表面损伤的一种磨损现象。冲蚀磨损造成的工件损伤会导致巨大的经济损失，甚至威胁到操作人员的人身安全，其领域主要涉及航空航天、矿井开采、冶金制造等行业。飞机飞过火山口会造成沙粒对叶片和机身的磨损；水力发电机的翼轮在泥沙含量高处，泥浆对水力机械的过流部件也会造成冲蚀磨损，降低机械的使用寿命^[1]；矿业开采行业中，50%以上的钻井泥浆泵失效是由泥浆泵的缸套受冲蚀磨损导致^[2]；油气开发领域中，输送固液体颗粒的管壁存在连续的冲蚀磨损；在船舶行业，船舶推进器设计的过程中必须考虑冲蚀磨损带来的影响^[3]。由此可见，冲蚀磨损普遍存在于众多领域，其所造成的经济与资源上的损失不可忽视。

1.3冲蚀磨损的危害

冲蚀磨损对零件造成的损伤主要分为冲蚀造成的损伤，在含有泥浆的环境工作中，由于泥浆中沙粒或其他细小的颗粒物与表面的挤压接触，产生如表面裂纹、冲蚀凹坑；磨损造成的表面损伤，如切削沟、犁沟；以及冲蚀磨损交替进行、相互促进的表面损伤，如表面脱落斑、疲劳裂纹等^[4]。某些对零件工作表面有所要求的工作环境，冲蚀磨损造成表面损伤后会导致零件的失效，带来经济损失，严重失效时甚至会造成人员伤亡。冲蚀磨损也会加速厚度较小的零件产生裂纹，造成零件的断裂，导致零件的严重失效。在某些连接部分，如轴与轴承之间的配合处，冲蚀磨损会影响轴与轴承的尺寸，使公差带变大，导致零件工作的准确度发生变化，可能会造成机械工作的误差。总之，冲蚀磨损对零件造成的影响可能存在于各个方面，造成各种不同的危害，导致严重的经济损失或人员伤亡。为了降低不良影响，主要可采用表面技术制备涂层与零件的结构优化来尽量减少冲蚀磨损所带来的危害。因此，如何通过表面技术减少冲蚀磨损带来的危害成为本文研究的主要方向。

1.4研究内容

本文通过对流体机械零件的泥浆冲蚀磨损机理进行研究，提出了选用纳米WC增强Ni基合金制备喷熔层，能够最有效的提高零件的抗泥浆冲蚀磨损性能。首先对流体机械零件的泥浆冲蚀磨损失效机理进行分析，结合国内外对Ni基合金涂层的抗泥浆冲蚀磨损能力的研究，提出选用Ni基自熔性合金粉末来制备涂层。其次对涂层进行合理设计，确定涂层厚度、涂层成分比例、及制备方法，本文选用氧乙炔焰喷熔设备进行涂层制备。最后对Ni基合金喷熔层的抗泥浆冲蚀磨损性能试验研究，使用旋转式搅拌机以及合理的固液比，选择合适的时间间隔进行实验，通过对比未加入WC、加入微米WC与加入纳米WC的Ni基合金粉末涂层在相同的工况下，材料受到冲蚀磨损时的表面损失情况，计算体积损失率，测试喷熔层硬度，最终证实纳米WC增强Ni基合金喷熔层具有良好的抗冲蚀磨损性能。

1.5国内外研究现状

Ni基自熔性合金是使用广泛的涂层材料，具有高硬度与耐磨性良好的特点，通过对涂层的冲蚀磨损机理进行研究，可调整涂层的成分与制备工艺，提高Ni基合金涂层的抗泥浆冲蚀磨损能力。

孙宏祝^[5,6]对Ni-Cr-B-Si系列喷熔层的研究中发现载荷与磨料的冲蚀速度决定了镍基合金涂层的磨损原理，随载荷增加，涂层的磨损率增加，而载荷过大时磨损表面的镍氧化物受挤压后塑性增加，形成致密转移膜，对涂层起到一定保护作用，冲蚀率减少。Ni基合金的涂层层以微观切削为主;高速重载时,转化为粘着磨损。

姚舜晖^[7]通过观察发现，Ni基合金涂层的磨损主要是由于粘着磨损与氧化磨损的交替作用，且在加入纳米WC后有利于减小涂层组织的位错滑移距离，起到限制晶粒位错滑移的作用，提高涂层硬度，抗磨性能改善，且粘附氧化磨损也因涂层组织硬度的增加而降低。

黄柳仙^[8]认为，在Ni基合金中加入Cr、Si、B、Fe在合金内部发生固溶强化和弥散强化的作用，并将加入WC的Ni基合金涂层分为三层结构，最外层的WC上浮并与其他金属元素形成耐磨性良好的复相化合物，起到主要的耐磨作用，中间层WC分布均匀，耐磨性相似，最内层是涂层的扩散层，硬度小，孔隙率大，所以耐磨性最差。

许仁波^[9]对钛镍合金的泥浆冲蚀研究发现，当冲蚀角度为30°时冲蚀损失最大。冲蚀角偏低时，涂层的冲蚀磨损为微切削，泥浆中的磨料起切削和犁削作用。当冲蚀角度偏高时，涂层受泥浆垂直冲击，以变形磨损为主。此外，TiNi合金存在伪弹行为，会增大与涂层的接触过程中的弹性接触的压痕面积，可降低涂层的应力集中大小，减小冲蚀磨损过程中涂层的表面损伤。

张艳梅^[10]探究了微纳米WC颗粒的Ni基合金涂层的裂纹扩展机制发现，内部裂纹是产生涂层开裂的来源，但裂纹发展时遇到微纳米WC颗粒时，无法穿过微纳米WC继续延伸发展，尤其当涂层材料与试样基体的结合性较强时，裂纹会发生转向或终止发展，当两者结合性较弱时,裂纹产生的内应力会使涂层中的颗粒与基体界面脱离粘连。

1.6本章小结

本章主要对流体环境中工作的零件进行冲蚀磨损机理的分析，并阐述了冲蚀磨损造成的危害。针对泥浆冲蚀磨损的危害提出了本文的主要研究方向、研究内容以及研究意义，本文的研究内容是通过氧乙炔焰喷熔工艺制备纳米WC增强Ni基涂层，探究纳米WC对提升涂层抗冲蚀磨损能力的效果。

本章详细叙述了目前国内外Ni基合金涂层冲蚀磨损机制的研究现状，总结了载荷、泥浆的冲蚀速度、冲蚀角度等影响因素对Ni基合金涂层的磨损影响。Ni基合金受到冲蚀产生的裂纹，主要是由内部裂纹的扩展。添加了纳米WC颗粒后，能够有效地阻止裂纹的继续延伸，增强涂层组织的耐磨性能。

第2章冲蚀磨损分析

2.1泥浆冲蚀磨损的影响因素

泥浆的冲蚀磨损是一种影响因素复杂的磨损，内部的主要影响因素与零件材料的理化特性和材料的加工工艺有关，材料的特性不同，其受泥浆冲蚀磨损后产生的损伤形貌也有所区别：若材料塑性大，形成的损伤主要以冲蚀凹坑和划痕为主；若材料脆性大，则会在表面产生裂纹以及造成表面材料的剥落。另外泥浆冲蚀磨损造成的危害程度也与零件材料本身的表面粗糙度有关。外部的主要的影响因素包括冲蚀角度、冲蚀时间、冲蚀速度、冲蚀颗粒的物理性质以及环境温度此类外界因素，泥浆冲蚀液则还需考虑泥浆的酸碱度、泥浆的固体与液体的比例，即泥浆浓度等因素。通过研究，冲蚀磨损的外部因素对涂层的表面损伤影响如下。

2.1.1冲蚀角度

冲蚀角度是泥浆中颗粒的运动方向与被冲蚀材料之间的夹角，研究表明^[1,5]，冲蚀角度在90°时冲蚀量最大，冲蚀量随着角度的减小而逐渐减小。对于不同范围的角度，产生的磨损形貌也各有不同，当冲蚀攻角在约90°～60°的高角度时，冲蚀颗粒与被冲蚀材料之间以撞击和挤压为主，造成零件材料的疲劳损伤，严重时可造成片状剥落，会产生凹坑并带有裂纹；当冲蚀攻角在60°～30°的中角度进行冲击时，表面损伤以带有剥落坑的犁沟为主；随着角度进一步减小达到低角度范围，颗粒与材料间将以摩擦切削和滚动为主，造成带有拖尾的较长犁沟的划痕损伤。在Finnie的微切削理论^[11]中的公式可以表示出冲蚀角度与冲蚀量的关系：

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