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燃機機組閥體和燃煤機組水冷壁等金屬部件材料通常為15Cr1Mo1V、15CrMoG等Cr-Mo-V和Cr-Mo系列的珠光體類耐熱鋼。燃煤機組鍋爐15CrMoG鋼冷灰斗水冷壁管通常面臨沖擊和吹磨的技術(shù)問題。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組15Cr1Mo1V鑄鋼件高壓蒸汽聯(lián)合閥閥體常作為進汽溫度不高于540℃燃煤機組電站的閥殼和汽缸材料，以及進汽溫度為565.5℃的燃機高壓聯(lián)合主汽門。裂紋是ZG15Cr1Mo1V鑄鋼件的常見缺陷，鑄鋼件裂紋主要分為熱裂、冷裂及發(fā)裂3類，其中熱裂紋缺陷最容易產(chǎn)生，危害性也最大。ZG15Cr1Mo1V鋼的鑄造工藝性相對較差，閥體鋼鑄件的結(jié)構(gòu)復雜、壁厚變化大，在制造過程中，易在截面壁厚差較大的部位產(chǎn)生熱裂紋缺陷，尤其是鑄件法蘭和缸壁的連接處，壁厚差最大，是裂紋缺陷最容易發(fā)生、最為嚴重的部位。產(chǎn)生裂紋的原因復雜，涉及設(shè)計、制造及運行等多方面因素，歸納起來主要有兩種情況：一是存在易產(chǎn)生裂紋的薄弱部位，如疏松、夾渣等鑄造缺陷處；二是鑄造應(yīng)力、熱應(yīng)力和機械應(yīng)力等較大處。閥體出現(xiàn)裂紋后，在裂紋兩端存在很大的應(yīng)力集中，裂紋極易擴展，若裂紋得不到及時處理，或處理方法不當，裂紋將急劇擴展，嚴重影響機組的運行安全。激光熔覆技術(shù)可起到電站金屬部件增強防護和損傷修復的作用，強化功能是通過涂層增強金屬部件的性能，在金屬部件表面制備增強、抗沖擊和耐磨涂層；修復功能主要體現(xiàn)在修復金屬部件的孔洞和裂紋，恢復已損傷部件的結(jié)構(gòu)尺寸，以及提高電站金屬部件的再制造后服役性能。

激光熔覆技術(shù)制備的鐵基合金涂層具有良好的綜合力學性能及較低的價格等優(yōu)點，且其與鋼材的成分相近，結(jié)合界面無分層和裂紋。高硬度、耐磨的陶瓷或稀土材料（TiC、Al2O3、La2O3、WC），尤其WC具有高熔點、高硬度、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、高耐磨性等優(yōu)點，是鐵基涂層中最常用的耐磨材料。鎳包WC增強涂層的組織更細小、成分分布更均勻，結(jié)構(gòu)完整性優(yōu)于WC增強涂層。為此，研究人員選取ZG15Cr1Mo1V鋼作為基材，采用激光熔覆技術(shù)在其表面制備鎳包WC涂層，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、顯微硬度計、沖擊試驗機、沖蝕磨損試驗機、顆粒磨損試驗機和吹損試驗機表征涂層的顯微組織、物相組成、顯微硬度、耐沖蝕磨損、耐顆粒磨損和耐吹損性能。

1. 試驗方法

1.1 試驗材料

選擇15Cr1Mo1V鋼作為基材，其化學成分如表1所示，基材尺寸（長度×寬度×高度，下同）為200mm×300mm×20mm。激光熔覆前對基體進行預處理，以保證基體與涂層具有良好的冶金結(jié)合性；預熱溫度約為100℃，可以降低熔池的冷卻速率，又不至于產(chǎn)生過大的組織應(yīng)力，還能降低涂層的殘余應(yīng)力。設(shè)計了鐵基涂層（合金粉末粒徑為40~150μm），鐵基合金粉末成分如表2所示。鎳包WC顆粒粒徑為40~150μm，其中Ni元素質(zhì)量分數(shù)為12%，WC的質(zhì)量分數(shù)為88%；鎳包WC質(zhì)量分數(shù)為0~30%。高速激光熔覆設(shè)備制備涂層時采用同步送粉的方式。激光熔覆制備涂層的參數(shù)為：激光功率為1400W，掃描速率為300mm/s，搭接率為50%，送粉速率為18g/min，光斑直徑為3mm。待涂層試樣冷卻后，對試件進行切割，切割后對試樣進行打磨，依次使用90，360，600，1000，1500，2000目（1目=25.4mm）水砂紙進行打磨和拋光，選用水溶性金剛石研磨膏在磨拋機上對試樣進行拋光，直至拋光至鏡面，隨后用無水乙醇溶液擦拭試件，待試樣風干后，將其放置于干燥箱中備用，用于測試與分析組織性能。

1.2 表征方法

制備試樣時，腐蝕劑為體積分數(shù)為3%的硝酸乙醇溶液，在場發(fā)射掃描電鏡下觀察涂層的微觀形貌。采用X射線衍射儀分析涂層表面的物相，材料為Cu靶，加速電壓為40kV，電流為20mA，掃描范圍為20°~80°。采用顯微硬度計測試涂層的維氏硬度，載荷為5N，對基材和涂層試樣各測量5次，再計算硬度平均值。沖擊試樣按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》制備一定形狀（V形缺口）和尺寸55mm×10mm×10mm的金屬試樣。擺錘式?jīng)_擊試驗機處于簡支梁狀態(tài)，以試驗機舉起的擺錘進行一次沖擊，使試樣沿缺口沖斷，用折斷時擺錘重新升起的高度差計算試樣的沖擊吸收能量，其數(shù)值越大，材料韌性越好。顆粒沖蝕磨損試驗機結(jié)構(gòu)與日本ACT-JP型試驗機類似，試驗參數(shù)為：沖蝕距離為100mm，沖蝕角度為30°和90°，磨料為棕剛玉，其粒度為200~300μm，壓縮空氣壓力為0.1~0.4MPa，噴嘴內(nèi)徑為3.6~4.0mm，噴嘴長度為22mm。采用被測試樣沖蝕磨損損失質(zhì)量評價沖蝕磨損性能，在一定的試驗條件下，失重量越小，表明涂層的耐沖蝕磨損性能越好。根據(jù)美國ASTM G65-16《使用干砂/橡膠輪試驗儀測量磨損的試驗方法》標準，在橡膠輪磨粒磨損試驗機上進行磨粒磨損性能試驗，試驗載荷為13N，橡膠輪轉(zhuǎn)速為60r/min，橡膠輪直徑為220mm，磨料（棕剛玉）粒度為250μm，磨損時間為60min。采用被測試樣磨損損失質(zhì)量評價磨粒磨損性能，在一定的試驗條件下，磨損失重量越小，涂層試樣耐磨粒磨損性能越好。吹損試驗時，吹損介質(zhì)為SiO2和Al2O3，粒度為20~100μm，吹損壓力為0.4~0.6MPa，采用質(zhì)量為200g和1000g的SiO2和Al2O3混合物吹損基材和涂層，通過被測試樣損失質(zhì)量評價吹損性能，在一定的試驗條件下，損失質(zhì)量越小，表明涂層耐吹損性能越好。

2. 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌與物相組成

不同質(zhì)量分數(shù)鎳包WC鐵基涂層SEM形貌如圖1所示。涂層組織致密，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)特征；隨著鎳包WC的添加，涂層晶粒細化；局部區(qū)域分布著未分解的WC顆粒[ 見圖1（b）~1（d）]，WC顆粒保持了原有形貌；同時WC顆粒周邊熔化分解，熔化后的WC顆粒與Fe、Cr元素形成碳化物，將WC顆粒牢牢固定在涂層中，有效結(jié)合。相對于不含鎳包WC鐵基涂層和質(zhì)量分數(shù)為10%的鎳包WC鐵基涂層，質(zhì)量分數(shù)為20%和30%鎳包WC鐵基涂層的晶粒顯著細化。

不同質(zhì)量分數(shù)鎳包鐵基WC涂層的XRD圖譜如圖2所示。由圖2可知：質(zhì)量分數(shù)為10%的鎳包鐵基WC涂層析出Fe3W3C、Fe6W6C、WC和Cr23C6；隨著鎳包WC質(zhì)量分數(shù)的增大，F(xiàn)e6W6C和Cr23C6衍射峰增強，碳化物數(shù)量顯著增多。尤其質(zhì)量分數(shù)為30%鎳包WC鐵基涂層的Fe6W6C和Cr23C6衍射峰顯著增強，表明碳化物析出量增大。

2.2 顯微硬度

基材和不同鎳包WC質(zhì)量分數(shù)鐵基涂層表面的顯微硬度和沖擊吸收能量如圖3所示。基材的顯微硬度約為180HV0.5，沖擊吸收能量為34.2J，當鎳包WC質(zhì)量分數(shù)為0，10%，20%，30%時，鐵基涂層的顯微硬度分別為690，720，774，819HV0.5，鐵基涂層的沖擊吸收能量分別為38.6，43.8，61.1，62.2J，可見鐵基涂層顯微硬度和沖擊吸收能量顯著提高，表明鐵基涂層的晶粒細化有助于材料的硬度和韌性同步提高。由物相分析結(jié)果可知：激光熔覆過程中部分鎳包WC高溫分解成W、C，與涂層合金元素Cr和Fe發(fā)生化學反應(yīng)，形成了Cr23C6、Fe3W3C、Fe6W6C硬質(zhì)相，起到彌散強化作用；析出碳化物為形核中心，促進二次枝晶形成，細化了涂層晶粒，起到細晶強化作用；彌散強化、細晶強化綜合作用提高了涂層的硬度。晶粒越細，塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中程度越小；而且晶粒越細，晶界面越多，晶界越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯的機會就越多，越不利于裂紋的萌生和擴展，晶粒與晶粒間就越緊固，韌性就越好，沖擊吸收能量越大。同時，涂層晶粒細化導致晶界處的位錯吞噬、釋放能力明顯提高，涂層的韌性增強。當鎳包WC質(zhì)量分數(shù)為30%時，鐵基涂層的顯微硬度和沖擊吸收能量達到最大，達到819HV0.5和62.2J。

圖4為30°（磨料與涂層基材夾角）和90°沖刷力作用下基體與鐵基涂層沖蝕磨損后的損失質(zhì)量。30°和90°沖刷力作用下基材的沖蝕磨損損失質(zhì)量分別為0.09g和0.12g，與基材相比，30°和90°下不含鎳包WC鐵基涂層的沖蝕磨損損失質(zhì)量分別為0.035g和0.05g，表明鐵基涂層耐沖蝕磨損性能顯著提升；隨著鎳包WC質(zhì)量分數(shù)的增大，涂層的沖蝕磨損損失質(zhì)量逐漸減少，耐沖蝕磨損性能進一步提高。質(zhì)量分數(shù)為30%的鎳包WC鐵基涂層在30°和90°沖刷力作用下沖蝕磨損損失質(zhì)量分別為0.02g和0.03g，約為基材的1/5；涂層表面在90°高角度沖刷力作用下更容易脫落，沖蝕磨損損失質(zhì)量增大。

基材和鐵基涂層在30°和90°沖刷力作用下沖蝕磨損損失質(zhì)量變化趨勢一致，用基材和鐵基合金涂層在90°下沖蝕磨損后的微觀形貌變化（見圖5）來進一步表征沖蝕磨損性能。由圖5可知：基材硬度低，其表面沖蝕磨損后出現(xiàn)明顯的沖蝕坑，鐵基合金涂層的顯微硬度顯著高于基材，有助于提高其抗沖蝕磨損性能，沖蝕磨損坑深度明顯減小；隨著鎳包WC質(zhì)量分數(shù)的增大，涂層表面硬度提高，使其沖蝕磨損性能進一步提高；質(zhì)量分數(shù)為30%鎳包WC 鐵基合金涂層表面未產(chǎn)生明顯的沖蝕磨損痕跡。

基體與鐵基涂層磨粒磨損后的質(zhì)量損失如圖6所示。基材的磨料磨損損失質(zhì)量分別為0.792g，與基材相比，鐵基涂層磨粒磨損損失質(zhì)量分別為0.115g，表明鐵基涂層耐沖蝕磨損性能顯著提升；隨著鎳包WC含量增大，磨粒磨損損失質(zhì)量逐漸減少，耐磨粒磨損性能進一步提升。質(zhì)量分數(shù)為30%鎳包WC鐵基涂層的磨粒磨損損失質(zhì)量為0.028g，約為基材的1/28，耐磨粒磨損性能顯著提高。磨粒磨損是硬的磨（顆）粒或硬的凸出物在與摩擦表面相互接觸運動過程中，表面材料發(fā)生損耗的一個過程。材料表面隨硬質(zhì)顆粒的壓入和摩擦易發(fā)生磨損，磨損過程中常伴隨沖擊的作用，涂層的耐磨性又與碳化物硬度有關(guān)，增加碳化物數(shù)量、減小尺寸、增加彌散度等均能改善材料的耐磨性；同時材料的韌性影響耐磨性，韌性高的涂層在磨粒磨損過程中不容易發(fā)生斷裂，能夠更好地抵抗磨損，因而質(zhì)量分數(shù)為30%的鎳包WC涂層的耐磨粒磨損性能顯著提高。

基體與鐵基涂層吹損磨損損失質(zhì)量如圖7所示。在200g和1000g氧化物吹損時，基體吹損后的質(zhì)量損失分別約為0.919g和0.825g，隨著鎳包WC含量的增加，200g和1000g氧化物吹損下吹損磨損損失質(zhì)量減小、涂層耐吹損性能提高，質(zhì)量分數(shù)為30%鎳包WC鐵基涂層損失質(zhì)量分別約為0.0193g和0.0181g，約為基材的1/45，耐吹損性能顯著提高。吹灰對鍋爐受熱面危害較大，飛灰吹損磨損會使管壁減薄，造成鍋爐四管（Cr-Mo-V和Cr-Mo珠光體類耐熱鋼）泄漏。質(zhì)量分數(shù)為30% 鎳包WC鐵基涂層具有高硬度和高韌性，可抑制硬質(zhì)氧化物顆粒吹損。

3. 結(jié)語

采用激光熔覆技術(shù)在15Cr1Mo1V鋼表面制備鎳包WC鐵基涂層，研究鎳包WC質(zhì)量分數(shù)（0~30%）對鐵基涂層顯微組織、物相組成、顯微硬度、沖擊性能、沖蝕磨損、顆粒磨損和吹損性能的影響。

（1）鎳包WC鐵基涂層物相為Cr23C6、Fe3W3C、Fe6W6C和WC；隨著鎳包WC質(zhì)量分數(shù)的增大，大部分WC顆粒與鐵基合金元素發(fā)生化學反應(yīng)而形成新的碳化物相，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，晶粒細化。當鎳包WC質(zhì)量分數(shù)為30%時，Cr23C6和Fe6W6C數(shù)量增多，鐵基涂層組織致密、細化效果最明顯。

（2）質(zhì)量分數(shù)為30%的鎳包WC 鐵基涂層硬度為819HV0.5，沖擊吸收能量為62.2J，質(zhì)量分數(shù)為30%鎳包鐵基WC涂層的沖蝕磨損損失質(zhì)量、顆粒磨損損失質(zhì)量和吹損損失質(zhì)量分別約為基材損失質(zhì)量的1/5、1/28 和1/45，耐磨性能顯著高于基材。

作者：何群 1，郭巖 2，吳勝法1，黃佳敏2，俞池恒2，熊宗群2，王光樂2

單位：1.杭州華電半山發(fā)電有限公司；

2.華電電力科學研究院有限公司

來源：《理化檢驗-物理分冊》2025年第1期