摘 要

在如今，各行业的工程中冲蚀磨损已成为对机械零件造成损坏失效的三大原因之一，是一个在机械生产中不可回避的问题。而在不同的工况下，冲蚀对零件的损坏会因为环境或机械自身的运行的差异而有所不同，在具体情况下我们需要对防护措施进行具体细致的设计，并以实验的方法对方案进行改良。

本文以流体零件在NaCl溶液中的泥沙冲蚀磨损情况为主要研究内容，分析了流体机械零件在泥沙中的冲蚀与磨损原因，并列举了造成失效的原因，同时分析了机械零件在泥沙冲蚀中减小磨损的方法，另外对比分析了本文研究的工况与常规工况相比的特殊之处。阐述了WC基系列涂层的各类分支的物理性质以及最终抗磨损涂料原材料的选择理由。涂层制备工艺的发展史，比较了各种喷涂工艺的优缺点。微纳米结构WC-CoCr涂层在NaCl溶液里性能试验的过程与结论，最终得出优化工艺参数的方案。

研究结果表明：在NaCl溶液中零件的冲蚀率将高于淡水中的冲蚀率。以微纳米结构的WC-CoCr粉末为原材料，采用超音速火焰喷涂技术制备出的涂层，在NaCl溶液中有着较强的抗冲蚀性能，用超音速火焰喷涂技术所制备的涂层有着厚度可控、组织致密度高优点。

创新点：本文主要内容为对比分析各涂层材料、工艺方法的分支，详解其特性优缺点以供他人参考。记录实验过程亲身参与部分的细节，记录常见的错误及后果，统计分析实验结果，对工艺的优化提出自己的见解。

关键词：微纳米结构；冲蚀磨损；超音速火焰喷涂；WC-CoCr；

英文摘要

Nowadays, erosion wear in various industries has become one of the three major reasons for the damage and failure of mechanical parts, and it is an unavoidable problem in mechanical production. However, under different working conditions, the damage of erosion to parts will be different because of the difference in the operation of the environment or the machinery itself. In specific cases, we need to carry out specific and detailed design of the protective measures. The scheme is improved by experimental method.

In this paper, the sediment erosion wear of fluid parts in NaCl solution is taken as the main research content. The causes of erosion and wear of fluid mechanical parts in mud are analyzed, and the causes of failure are listed. At the same time, the methods of reducing wear of mechanical parts in mud erosion are analyzed. In addition, the special features of the working conditions studied in this paper are compared with those of the conventional working conditions. The physical properties of various branches ofWC based coatings and the reasons for the selection of raw materials for final wear resistant coatings are described. The development history of coating preparation process was compared, and the advantages and disadvantages of various spraying processes were compared.

The process and conclusion of the performance test of micro-nanostructure WC-CoCr coating in NaCl solution were carried out, and the scheme of optimizing the process parameters was finally obtained. The results show that the erosion rate of parts in NaCl solution is higher than that in fresh water. The coating prepared by supersonic flame spraying with micro and nanostructured WC-CoCr powder as raw material has strong erosion resistance in NaCl solution, and the coating prepared by supersonic flame spraying technology has controllable thickness. The high density of tissue has the advantage of high density.

The main content of this paper is to compare and analyze the branches of coating materials and process methods, and to explain their advantages and disadvantages in detail for others#39; reference. The details of the experimental process are recorded, the common errors and consequences are recorded, the experimental results are statistically analyzed, and their own opinions on the optimization of the process are put forward.

Key Word:erosion；HVOF；WC-CoCr；micro-nano structure；

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 NaCl溶液对流体零件的影响 1

1.2.2 泥沙对零件表面的冲蚀 1

1.2.3 WC基涂层的种类 2

1.2.4 热喷涂技术 2

1.3 主要研究内容 2

第2章 流体机械零件的冲蚀机理及失效分析 4

2.1 流体机械零件的冲蚀机理 4

2.2 流体机械零件的失效分析 4

2.3 流体机械零件抗冲蚀方法 4

（1）基体材料的选择 4

（2）零部件结构设计 5

（3）制备抗冲蚀涂层 5

2.4 本章小结 5

第3章 流体机械零件的抗泥沙冲蚀磨损材料和方法 6

3.1 抗冲蚀磨损材料 6

3.1.1 Ti基 6

3.1.2 Fe基 7

3.1.3 WC基 7

3.2 涂层制备工艺 7

3.2.1 冷喷涂 8

3.2.2 爆炸喷涂 8

3.2.3 等离子喷涂 8

3.2.4 超音速火焰喷涂 8

3.3 本章小结 9

第4章 在NaCl溶液中的抗泥沙冲蚀磨损涂层设计 10

4.1 NaCl溶液对涂层的影响 10

4.2 涂层原材料的对此及选择 10

4.3 WC基系列对比与选择 10

4.3.1 WC-Co与WC-CoCr的选择 10

4.3.2 涂层微粒尺度的选择 11

4.4 本章小结 11

第5章 微纳米结构WC-CoCr涂层的制备工艺的制定 12

5.1 涂层制备工艺的对比与选择 12

5.2 超音速火焰喷涂制备的WC-CoCr涂层 12

5.3 本章小结 12

第6章 微纳米结构WC-CoCr涂层在NaCl溶液中的泥沙冲蚀磨损实验研究 13

6.1 实验仪器介绍 13

6.2 实验步骤 13

6.3 实验数据记录 14

6.4 实验数据分析 16

6.5 本章小结 20

第7章 总结 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

自20世纪40年代以来冲蚀现象引起科研人员广泛注意起，关于冲蚀现象的研究就从未中断。作为一个广泛存在于工程项目中的安全隐患，冲蚀现象在各工程领域迅速获得了科研人员的重视。人们对冲蚀机理进行充分研究分析后提出了一些相应的解决方法，并在可行性方面展开充分研究，对于冲蚀磨损的防护方式已发展出相当多的分支，它们在各自不同的领域中自己应对特殊环境的适用性。其中在航运方面，轮船机械不可避免的要在与海水长时间接触的情况下进行工作，于是面对这种特殊工作环境，需要详细的实验数据支撑应对方法的可行性，我们将对在NaCl溶液中的流体机械零件的抗冲蚀工艺进行细致的研究，以优化一般抗冲蚀工艺在面对这种特殊工作环境时的抗冲蚀能力。在确定工况的实际影响后，本文将在多种工艺手段中选定一种最佳的工艺进行试验，并将对实验结果进行分析列出结论。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 NaCl溶液对流体零件的影响

海水中的元素种类繁多，其中浓度大于1times;106mg/kg元素称为常量元素，其中作为阳离子和阴离子的元素各有五种，分别为：阴离子：Cl-，SO42-，Br-，HCO3-(CO32-)和F-；。阳离子Na ，K ,Ca2 ，Mg2 和Sr2 。这些常量元素与微量元素共同组成了海水中的主要盐类成分， 主要的包括NaCl，MgCl2，MgSO4, CaSO4, KaSO4和CaCO3, 其中含量最大的就是NaCl，其含量达到26.68mg/kg，站总盐类比例的77.67%，实际换算得出相当于3.5%的NaCl溶液。故，为模拟流体机械零件在海水中的工作环境，我们选用3.5%NaCl溶液作为试验用的流体。相比淡水作为流体的工作环境，在NaCl溶液这样的电解质含量高，同时在实际情况中还将包含固体颗粒及气体工作环境下，工作过程中的机械性冲刷与电化学腐蚀的联合作用会导致零件的材料损失远超在淡水环境^[1]。这将使得在材料选择方面的要求更为严苛，也是因为这一点，船舶在向高速航行的发展的方向上受到了严重的限制，对这一课题的研究也将成为未来高速船舶发展道路上的关键^[2]。

1.2.2 泥沙对零件表面的冲蚀

我国虽拥有十分丰富的水力资源，然而河流含沙量较高使得在河流入海口附近大片区域都将受到河流中的泥沙影响，这将为近海航行的船舶带来不小的影响。长期航行在高泥沙含量的海水中的船舶在流体零件为降低泥沙对其的冲蚀，需要对流体零件进行表面改良。WC系涂层因WC颗粒的高硬度和金属粘结相的高韧性优势，显示出在泥沙环境下的优良耐冲蚀性能，能够满足长期在泥沙中服役的水力机械过流部件的要求，延长过流部件的使用寿命，降低过流部件的更换周期^[3]。

1.2.3 WC基涂层的种类

WC基金属陶瓷涂层材料的硬。度及强度较高，在零件的抗冲蚀磨损。方面得到了。广泛的应用。在WC系涂层中主要分为两大，即WC-Co涂层与WC-CoCr涂层，WC-Co涂层仅由WC和Co两相组成，颗粒状的WC在Co基粘结相中呈弥散分布状态，在耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性等方面有明显的优势，而且制备速度快、成本低、环境好；WC-CoCr涂层微观结构组织相对WC-Co涂层较复杂，WC-CoCr涂层中游离态的Cr的钝化现象起到了延缓电化学腐蚀的作用，并且致密的涂层组织有效地阻碍了腐蚀介质的侵蚀，在某些应用领域WC-CoCr涂层替代了WC-Co涂层。如在NaCl溶液中WC-CoCr涂层有着高腐蚀电位的优势，可明显降低涂层的腐蚀电流密度，在高电解质含量的NaCl溶液环境下有着优秀的抗腐蚀性能^[6]。

对于WC系涂层中的WC颗。粒.的尺寸的大小，主要取决于制备。时所使用的WC粉末的.尺寸。即使在使用相。同的涂层原料的情况下，也可以通过制备不。同尺度的WC材料涂层来控制涂层。材料的强度与硬度，于是在晶粒尺寸方面也可将其分为传统微米级、亚微米级、纳米级，在实验研究时通常也会取这三个分段中的尺度进行对比试验。当WC晶粒的尺.寸减小到亚.微米时，所制备出的涂层的硬.度和强.度。将同时提.高，并表现出普通晶粒尺度的硬质合.金所没有。的性能^[4.5]。

1.2.4 热喷涂技术

对于金属。和非金属.材料，制备出性能优秀的涂层的必要条件是喷涂材料在。喷涂过程中得到充分的熔化。喷涂材料熔化不充..分将会导致沉积率下降，在涂层中形.成气孔，从而降低涂.层性能。因此在选择喷涂工艺时的主要目.标在于使火焰有效地加热粉末。

相反，在喷涂WC系金属陶.瓷粉末时，由于其中的碳化物在完全熔化之前.会发生分解，粉末的过热分解现象使得制备出的涂层材料的抗冲蚀性能受到很大的影响。对于WC粉末，WC会在高温环境下脱碳成为W₂C，而如果其处于含氧的高温火焰中时，甚至会氧化分.解成金属钨。也因为WC系涂层材料的这一特性.爆炸喷涂和超音速火焰.喷涂工艺越来越多的.用于制备WC系金属陶瓷涂层，得益于它们可以有效的控制在制备过程中WC粉末的分解现象。

1.3 主要研究内容

本文研究的内容包括：

（1）流体机械零件的泥沙冲蚀磨损失效机理分析:对流体机械零件的工况进行分析，了解主要的磨损形式，将其作为性能试验需要测试的重要指标，确定试验的研究目的及方向。

（2）流体机械零件的抗泥沙冲蚀磨损材料和方法：重点描述讲解毕业设计所选取的涂层材料及喷涂工艺；列举并简单说明其他抗磨损技术的原理及实用价值，并与本文重点研究的抗磨损技术进行对比分析以得出优缺点。

（3）在NaCl溶液中的抗泥沙冲蚀磨损涂层设计：对比分析NaCl溶液和淡水对冲蚀磨损的影响；研究并设计出尺度和工艺细节不同的涂层进行平行对比，以便绘制图标进行系统分析。

（4）微纳米结构WC-CoCr涂层的制备工艺的制定：详细介绍理论上的制备工艺，并且将实时记录的实践操作细节通过分析结果和查阅资料归纳总结出不正确的操作将带来怎样的后果。

（5）微纳米结构WC-CoCr涂层在NaCl溶液中的泥沙冲蚀磨损实验研：以前文分析总结出的研究目标为重点测量对象进行试验，在将结果进行归纳总结分析后提出工艺参数优化的方向，并以此对未来的发展方向进行展望。

第2章 流体机械零件的冲蚀机理及失效分析

2.1 流体机械零件的冲蚀机理

冲蚀是一种发生在.材料表面处的磨损现象，当有流体或带.有磨砺性固体颗粒的流体以一定速度和角度对材料.表面不断进行冲击后所造.成的磨损，主要分类有.微粒流冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀.磨损、气蚀以及空蚀等^[7]。

流体以及磨粒的、速度、尺寸、冲蚀角度、冲蚀时间都是影响冲蚀程度的主要因素，如在不同冲蚀角度下，冲击角度为60°时316不锈钢的质量损失最大，而冲击角度逐渐增加到90°时质量损失逐渐减小^[8.9]。故同一机械零件的不同位置受到的冲蚀磨损的程度也不相同，在这种情况下机体的零件势必会提前因为冲蚀造成的质量损失和持续的应力作用引起变形断裂等严重损伤。所以在零件设计制造时就应当针对其结构进行分析计算，找出隐患，并提出相应的降低冲蚀磨损的措施，以保证机械的使用寿命不会因为冲蚀产生的损伤而缩短，引起不必要的损失。

冲.蚀率是我们在判断冲蚀磨损的程度时通常的衡量标准，即单位.重量粒子对材料造成的.重量损失。其计算.方式为ε=Kvn（K-粒子.尺寸、v-粒子速度）。当粒子的尺寸.处于20-200mu;m之间时，粒子.尺寸与磨损率成正比关系；而当粒子尺寸超.过一定数值D时（不同材料的 D值不一定相同），随着粒子的尺寸继续增加，磨损.率却几乎在提高，这种现象.称为.“尺寸效应”。

2.2 流体机械零件的失效分析

常见的机械零件.失效原因有整体断裂、过大残.余变形、零件的表面.破坏、破坏正.常工作条件引起的失.效等^[10]。零件的表面破坏包括腐蚀、磨损和接触疲劳磨损，冲蚀磨损就包含在其中。机械零件的失效多半是因为人为的操作失误导致机械运行异常，部分零件长时间承受过高的热应力、机械应力导致零件出现不可逆转的损伤，使得整个机械部件失效。当然也不排除零件不合格或是已经超过使用寿命，在检修保养时没有发现并及时更换，因不能承载机械运行而损坏失效。除去人为因素导致的失效以外，流体机械零件因长期遭受流体冲击造成与流体接触的表面被流体中的固体颗粒或是腐蚀性化学物磨损腐蚀，最终导致基体部分位置表面脱落，厚度变薄，产生裂纹甚至断裂。

2.3 流体机械零件抗冲蚀方法

在设计制造流体机械零件时，通常可以从三个方面入手解决零件的抗冲蚀磨损性能的问题，即基体材料的选择、零部件结构的设计以及制备抗冲蚀涂层。

（1）基体材料的选择

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