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磨蚀失效一直是困扰水力机械发展的关键问题之一。它是泥沙冲刷、汽蚀、腐蚀、磨损等交互作用的结果,问题十分复杂,长期难以解决。世界各国学者和工程师都对其进行了研究,通过结构优化设计、抗磨母材的选用、涂覆抗磨非金属有机涂料及环氧复合涂料、堆焊等手段来提高水力机械的抗磨蚀能力,但是,这些方法的效果并不理想,存在的问题仍然非常突出。本文通过开展超音速火焰喷涂WC抗磨蚀复合涂层关键技术研究,制备纳米WC复合涂层,以期解决这一关键技术问题。本文通过液相喷涂再造粒的方法,成功研制出可用于超音速火焰热喷涂的纳米级喂料,并采用超音速火焰喷涂(HVOF)先后制备了纳米和微米结构WC10Co4Cr涂层,运用正交实验法优化了纳米WC10Co4Cr复合涂层的制备工艺。采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、电子能谱(EDS)、扫描电镜(SEM)等对以上两种涂层的微观形貌和结构性能进行了研究;利用显微硬度仪、磨损试验机、磨蚀试验机和电子万能试验机等对比研究了不同工艺参数下涂层的显微硬度、耐磨性和结合强度等方面的性能,并优化了实际喷涂中的工艺,成功应用于水轮机抗磨板上,有效提高了其抗磨蚀能力。本文主要工作和成果如下:(1)针对水力机械磨蚀问题非常严重这一现状,本文采用超音速火焰热喷涂方法,提出利用纳米WC复合涂层增强零件的耐磨、耐腐蚀性能的方案,成功制备了高抗磨蚀性能的纳米WC10Co4Cr复合涂层,并取得了阶段性成功。(2)通过液相喷涂再造粒技术,成功自制出可用于超音速喷涂的纳米级喂料。喷雾再造粒主要工艺及较理想的工艺参数为:工艺:分散纳米粉末→制备浆料→喷涂干燥→烧结→筛选干燥箱温度:160℃;烧结温度:1100℃;烧结时间:4h。(3)利用超音速火焰热喷涂技术制备的纳米WC10Co4Cr复合涂层比微米结构涂层更致密,纳米结构涂层在显微硬度和抗磨蚀性能方面优于微米结构涂层。(4)超音速火焰热喷涂纳米结构WC10Co4Cr复合涂层熔化更充分,堆积过程中扁平化程度更高,但是纳米结构复合涂层的氧化脱碳程度高于微米结构涂层。纳米与微米结构WC10Co4Cr金属陶瓷涂层中由于脱碳氧化都存在少量的W2C相,但没有产生更脆性游离碳。(5)在高泥沙水流作用下,微米结构WC复合涂层的磨蚀机制以切削和疲劳剥落为主;在纳米结构的WC10Co4Cr涂层中,颗粒度细小,大部分晶界为细晶粒边界,粒子间结合面增多,纳米晶粒分布均匀,对粘结相起到了很好的“钉扎作用”,提高了涂层的显微硬度和韧性,高硬度增强了涂层的耐微切削和犁削性能。(6)采用正交实验进行工艺参数优化,四水平因素分别为煤油流量、氧气流量、送粉量、喷涂距离,影响涂层抗磨蚀性能主要因素为煤油流量。本文获得抗磨蚀最佳超音速火焰热喷涂工艺为:煤油流量为28L/h,氧气流量为50m3/h,送粉量为60g/min,喷涂距离为340mm。