失效F51球阀阀体表面硬质涂层研究

1 前言

煤化行业的煤气化装置之中的球阀，其工作压力通常在2. 7~8. 7 MPa之间，工作温度在260℃左右，在集渣和排渣循环过程中，开关频率高，压差大，要求球阀具有耐高温、耐高压和耐腐蚀等特点。为了满足这种苛刻环境下的使用需求，通常采用不锈钢材料作为基体材料，然后采用超音速火焰喷涂技术(High Velocity Oxy-Fule，简称HVOF)在球阀表而制备一层高硬度的耐磨硬质涂层，增加球阀表而硬度，改善其耐磨性，从而提高其使用寿命。而HVOF工艺中的工艺参数以及所选用的喷涂粉末颗粒度等，均会对涂层使用寿命产生明显的影响.一门。而对于过早失效的不锈钢球阀基体组织和球阀耐磨涂层微观组织结构的相关研究文章不多，特别是对于以F51双相不锈钢为基体的球阀失效机制研究的文章更是少见。本文通过对吴忠仪表提供的一款F51合金煤化工用失效球阀的样品，进行了基体组织和涂层结构的研究，对于涂层过早脱落的原因进行分析。

2 实验材料及方法
研究样品的宏观示意图如图1所示，球阀基体材料为F51双相不锈钢，F51不锈钢具有良好的耐蚀性，以及优秀的常温韧性，但在热处理过程中，由于热作用，使得奥氏体和铁素体两相之比发生较大变化，降低F51不锈钢的耐蚀性和塑性。硬质涂层为采用HVOF工艺制备的WC-Co。耐磨层，喷涂粉末为WC-Co12 (11. 73Co- 5. 38C- 0. 19Fe-bal. W, wt.%)，平均粒度为34. 53 pm。在F51不锈钢表而喷涂WC涂层是一种常见的对基体材料的表而强化处理，高硬度的涂层提高不锈钢基体的耐磨性，F51双相不锈钢的强韧性则能够提高涂层的抗弯性能。
从图1中可见，球阀表而部分区域的硬质涂层己经完全脱落，暴露出来不锈钢基体，使得阀门密封下降，球阀失效。使用线切割从失效球阀样品上切取金相试样，利用金相显微技术进行样品制备;然后利用光学显微镜、扫描电镜等设备观察样品微观组织和成份;利用显微硬度仪测试微区硬度。金相样品腐蚀采用电化学腐蚀方法，腐蚀试剂为10%NaOH溶液，腐蚀电压为5V，腐蚀时间为20 s。显微硬度载荷为0. 2 kg。利用原子吸收光谱测试F51基体的化学成份。

图1 F51球阀阀体失效样品宏观状态

3 实验结果及讨论

3.1 F51 基体成份和微观组织
采用原子吸收光谱分析了F51合金基体的化学成份，具体分析结果见表1。从表1中可见，失效球阀的基体合金的化学成份满足F51行业标准要求。从基体成份分析失效球阀合金成份满足设计要求。

表1 球阀基体分析化学成份(wt.%)

图2所示为F51合金基体的微观组织。从图2中可见，F51合金基体中分布着奥氏体和铁素体两相。由于奥氏体中富含原子序数大的Ni元素，而铁素体中富含C'. r元素，故在扫描电镜的背散射模式下观察，奥氏体呈现更高的亮度。通过对多张扫而电镜照片的统计分析，统计获得F51合金中的奥氏体体积分数约为42%。基体组织呈现出明显热处理后的特征。

图2 F51球阀阀体基体合金微观组织

3.2 球阀表面硬质涂层特征
图3为F51球阀阀体表而涂层的微观组织形貌。从图3中可见，球阀表而的硬质点颗粒大多呈半裸露状态，涂层表而可见明显的裂纹，且己经扩展成为网状。

图3 F51球阀阀体表面涂层

图4 F51球阀阀体横截面微观组织

从图4中可见，阀体表而硬质涂层的平均厚度约为384um。硬质涂层中呈现了两种不同的区域，靠近表而的区域呈现明显的松散状态，而另一区域呈现较致密状态。对松散区和致密区的显微硬度进行了测定，测定发现在松散区的硬度约为180 ~210（HV0. 2），而F51基体的硬度约为240~290(HV0. 2)，而在致密区的硬度呈现较大的波动(图5)。

图5 F51球阀阀体横截面致密区域硬质涂层显微硬度测试

从图5中可见，在致密区域内，相对平整没有疏松存在的区域的硬度值通常都在858以上，而在有疏松存在的附近，硬度显著降低到了平整区域的一半以下。对于F51合金阀体表而采用超音速火焰喷涂硬质涂层的目的就是要显著提高基体的耐磨程度，而从涂层的截而硬度分布特征来看，在松散区的硬度己经明显低于F51基体的硬度，松散区的硬质涂层己经起不到提高硬度作用，而且在松散区域中还能观察明显的裂纹存在。而在致密区域，存在较多的疏松，也导致了整个硬质保护涂层的平均硬度显著降低，使涂层的耐磨周期显著缩短，进而造成球
阀过早失效。通过多个扫描电镜照片统计分析致密区域中的疏松而积百分数约为2. 76%，而根据相关文献报道，使用HVOF技术喷涂WC涂层，具有较好涂层质量的样品，孔洞含量可以控制在1%以内。
从图4中可见在，基体与硬质涂层之间存在许多黑色衬度的物相，经过扫描电镜EDS分析该相为Al2O3颗粒(图6)。工件在喷涂WL之前，会进行喷砂工艺，该工艺首先能够除去工件表而油污，同时使表而发生粗化，以达到增强涂层结合力的目的比〕。提高喷砂压力，往往可以提高表而粗糙度，增加涂层结合力，但是大的喷砂压力会使大量砂砾碎裂，并嵌入集体之中，基体中的砂砾属于脆性相，在实际工况下使用，该处容易产生应力集中，当嵌入砂砾过多时，容易引起涂层失效。

图6 Al2O3相的EDS分析结果

图7 球阀阀体硬质涂层中的相分布

图7为现有硬质涂层中的主要物相分布，其中深色连续分布的相为Co基体相，其主要起粘结WC的作用，尺寸较大的灰色颗粒为WC颗粒，围绕在WC颗粒周围，亮白色细小颗粒是W2C相，而连续分布的灰色基体为Co3W3C相，Co3W3C和W2C是由于脱碳产生的脆性相，脆性相的富集，容易引起应力集中，将会严重影响涂层的质量。

4 结论
通过研究F51球阀阀体的表而和截而微观组织结构，现有球阀的硬质涂层中主要包含Co基体、WC以及Co3W3C和W2C.脆性相。硬质涂层中的松散区域的硬度低于F51合金基体，致密区域的硬度由于涂层中存在数量较多的疏松而显著降低。