摘 要:某球閥與閥桿鉸接旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)處發(fā)生明顯變形,導(dǎo)致該處表面的火焰噴涂涂層發(fā)生大面 積脫落。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡及能譜分析等方法對涂層脫落的原因進(jìn)行分析, 結(jié)果表明:閥桿通過鉸接帶動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn),球閥在旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行高頻次、周期性的運(yùn)動(dòng),交變應(yīng)力導(dǎo) 致球閥基體發(fā)生蠕變變形,變形后的基體使脆性的火焰噴涂涂層碎裂及大面積脫落。

關(guān)鍵詞:球閥;閥桿;扭轉(zhuǎn)力;疲勞應(yīng)力;火焰噴涂

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)06-0055-04

電力行業(yè)用球形閥門對管道內(nèi)介質(zhì)的流量控 制、開啟和閉合起到至關(guān)重要的作用,可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì) 的流通和截止[1]。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中,球閥和閥座 長期密封旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致二者間存在長時(shí)、高頻的滑動(dòng)摩 擦作用,并發(fā)生減薄、磨損、變形等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響球 閥對介質(zhì)的調(diào)節(jié)控制[2]。球閥外表面和閥座內(nèi)表面 的硬質(zhì)涂層表面改性至關(guān)重要,火焰噴涂方式是通 過機(jī)械結(jié)合作用,最大限度地提升表面的硬度和耐 磨性[3]。某火電廠球閥與閥桿旋轉(zhuǎn)鉸接處發(fā)生變形 和涂層脫落,該球閥基體材料為12Cr1MoV 低合金 鋼。球閥直徑為43mm,圓形孔直徑為22mm,矩 形鉸接處尺寸為25mm×17mm(長度×寬度),火 焰噴涂涂層材料為 NiCr-Cr3C2。

筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對涂層脫落的原 因進(jìn)行分析,以防止該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

閥桿通過矩形鉸接與球閥形成聯(lián)動(dòng),帶動(dòng)球閥 在環(huán)形閥墊上旋轉(zhuǎn)[4]。高頻率、長時(shí)間的鉸接和旋 轉(zhuǎn)導(dǎo)致閥桿和球閥接觸處均發(fā)生較明顯的變形,閥 桿矩形端頭發(fā)生嚴(yán)重磨損,球閥矩形凹槽內(nèi)部產(chǎn)生 嚴(yán)重?cái)D壓凹坑。同時(shí),鉸接處覆蓋于球閥表層的硬 質(zhì)涂層發(fā)生碎裂和脫落現(xiàn)象。涂層脫落的球閥、閥桿和閥墊宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:球閥 表面涂層發(fā)生較嚴(yán)重的碎裂現(xiàn)象,碎裂區(qū)域主要集 中在矩形凹槽長邊附近。凹槽內(nèi)部與閥桿鉸接處發(fā) 生嚴(yán)重變形。碎裂的涂層尖角較為鮮明,呈崩斷脆 性開裂形貌。同時(shí),由于矩形凹槽內(nèi)不存在因變形 而碎裂的涂層,可確認(rèn)該球閥的加工工藝為先進(jìn)行 火焰噴涂,再進(jìn)行矩形槽機(jī)械加工[5]。

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對球閥基體進(jìn)行化學(xué)成分分 析,結(jié)果如表1所示,由表1可知:球閥基體的化學(xué) 成分符合GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

將球閥置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示。 圖2a)為閥桿和球閥的鉸接處,閥桿高頻次旋轉(zhuǎn)作 用導(dǎo)致該處形成尖角狀凹坑[6],旋轉(zhuǎn)形成的應(yīng)力導(dǎo) 致基體發(fā)生明顯組織畸變和表層氧化層碎裂;圖 2b)為旋轉(zhuǎn)力輸入的應(yīng)力點(diǎn)區(qū)域,應(yīng)力輸入點(diǎn)附近 涂層已全部發(fā)生脫落,存在較明顯的發(fā)散條紋,條紋 間夾角約為30°,是應(yīng)力以點(diǎn)的形式輸入基材并在 基體內(nèi)擴(kuò)散的典型形貌,應(yīng)力在接觸點(diǎn)處已經(jīng)發(fā)散 狀擴(kuò)散至基體內(nèi)部[7];圖2c)為閥桿與球閥旋轉(zhuǎn)鉸 接處的形貌,由于閥桿的旋轉(zhuǎn)作用,閥桿逐漸與球閥 間形成間隙,隨著間隙的增大,接續(xù)的高頻次旋轉(zhuǎn)會(huì) 使二者間產(chǎn)生位移,從而使球閥邊緣產(chǎn)生明顯的金 屬流變和劃傷形貌;圖2d)為凹槽邊緣的殘留涂層 形貌,該殘留涂層為先進(jìn)行火焰噴涂,后機(jī)械加工凹 槽所致,在邊緣處形成沒有支撐且極易脫落的棱狀涂層[8];火焰噴涂涂層沿著發(fā)散狀應(yīng)力擴(kuò)散方向開 裂,涂層與基體發(fā)生剝離,應(yīng)力擴(kuò)展使涂層發(fā)生顯著 脆性開裂[見圖2e)],裂紋擴(kuò)展方向的反向延長線 焦點(diǎn)即為應(yīng)力輸入點(diǎn)[9];涂層和基體間存在較明顯 圖2 涂層脫落球閥的SEM 形貌 的未熔合,是火焰噴涂機(jī)械結(jié)合的典型特征[見圖 2f)];涂層在循環(huán)疲勞應(yīng)力的作用下,發(fā)生波紋狀剝 離,在基體表層有部分涂層殘留[見圖2g),2h)],同 時(shí),在涂層完全脫落區(qū)域,能夠觀察到顆粒狀的層間 球狀脆化相;碎裂涂層的斷口呈明顯的解理特征[見 圖2i)],內(nèi)部尖角狀組織明顯,為高溫運(yùn)行狀態(tài)下的 表層析出,是涂層脆性開裂的典型形貌[10];運(yùn)行后 球閥基體和涂層間析出球狀碳化物,碳化物密集分 布于基材表層,觀察到的碳化物最大直徑約為10 μm,平均直徑約為6.2μm,析出相平均間距約為 18.7μm,與涂層厚度接近,阻隔了涂層和基體間的結(jié)合力[見圖2j)]。

1.4 能譜分析

對球閥表面原始涂層區(qū)域、開裂涂層區(qū)域和脫 落后的基材區(qū)域分別進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖3所 示,涂層表層中 Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,Cr元 素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%~40%,Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為0~5%,碎裂涂層中間區(qū)域的成分與完整涂層表 層基本一致,為高強(qiáng)度且耐腐蝕的高鉻鎳涂層[11]。 球閥基材中 Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~2%,Cr元素的質(zhì) 量分?jǐn)?shù) 為 10% ~15% ,Fe元 素 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 20%~30%,說明球閥基材中基本不含 Ni元素,為 鐵基材料。

涂層與基材的化學(xué)成分差別較大,表明該火焰 噴涂涂層與球閥基材之間基本沒有元素遷移,即沒 有與基材發(fā)生液態(tài)金屬互相滲透,屬于機(jī)械結(jié)合而 非冶金結(jié)合[12]。涂層和基材間析出的球狀析出成 分為Fe元素和 C元素,為高溫運(yùn)行狀態(tài)下析出的 層間碳化物[13]。

由此可見,基材材料為Ni元素含量較低的非奧 氏體不銹鋼,火焰噴涂涂層為Cr、Ni元素含量較高 的硬質(zhì)合金,該合金具有較大脆性。閥桿高頻次的 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致球閥在應(yīng)力作用下出現(xiàn)開裂和剝離[14]。

2 綜合分析

綜合上 述 分 析 可 得,球 閥 基 材 為 低 合 金 鋼 12Cr1MoV,火焰噴涂涂層為高 Cr、Ni元素含量的 NiCr-Cr3C2 硬質(zhì)合金[15]。同時(shí),二者為機(jī)械結(jié)合狀 態(tài),涂層和基材屬于2個(gè)獨(dú)立部分,并沒有基材金屬 和涂層金屬互熔過程導(dǎo)致的元素流動(dòng)現(xiàn)象,因此二 者結(jié)合強(qiáng)度也相較于冶金結(jié)合存在很大差距[16]。

該球閥在機(jī)械加工前進(jìn)行了整球火焰噴涂,噴 涂完成后進(jìn)行矩形槽加工。根據(jù) GB/T3077— 2015,基材12Cr1MoV鋼的硬度不大于179HBW, 抗變形能力較低。在閥桿高頻次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的交變應(yīng) 力作用下,閥桿與球閥鉸接面產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力,因此球 閥矩形槽內(nèi)發(fā)生明顯變形[17-18]。在交變應(yīng)力的循 環(huán)作用下,表面涂層形成疲勞源,并失穩(wěn)擴(kuò)展,為球 閥表面涂層碎裂的直接原因[18]。

NiCr-Cr3C2 涂層屬于脆性金屬基陶瓷涂層,為 金屬基陶瓷復(fù)合材料,其經(jīng)熱噴涂與基體機(jī)械結(jié)合, 機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度約為90MPa,與等離子噴焊和激光熔 覆等冶金結(jié)合形式的表面改性強(qiáng)度相差較大[19]。 經(jīng)交變應(yīng)力作用后,涂層容易發(fā)生剝離、脫落等現(xiàn) 象[20-21]。同時(shí),球閥在約480℃的高溫水環(huán)境中運(yùn) 行,12Cr1MoV鋼基材與 NiCr-Cr3C2 涂層間析出以 M23C6 和 M7C3 為主的含碳球狀相,導(dǎo)致基材和涂 層間結(jié)合不緊密,加劇了剝離效應(yīng)[22]。

3 結(jié)語

(1)建議對球閥先進(jìn)行凹槽的機(jī)械加工,再進(jìn) 行火焰噴涂,使噴涂涂層能夠覆蓋凹槽內(nèi)部,保證球 閥和閥桿旋轉(zhuǎn)受力點(diǎn)處的硬度和抗變形能力。

(2)對球閥進(jìn)行凹槽機(jī)械加工后,根據(jù)球閥的 變形點(diǎn)確定受力區(qū)域,在鉸接面的受力區(qū)域進(jìn)行硬 質(zhì)合金的內(nèi)孔激光熔覆改性,以確保鉸接處的硬度 和抗變形能力。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>59卷>6期(pp:55-58)>