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Ni基、WC基热喷涂涂层的制备及其耐磨耐蚀性能研究

摘要

热喷涂涂层由于其较高的硬度、优异的耐磨性以及良好的耐蚀性能备受关注，广

泛应用于阀门、风机叶片及工程机械截齿等磨损与腐蚀极端工况。随着油气开采向超

深地层推进，钻井过程中防喷器旋塞阀球体作为重要的钻井安全工具，在井下高温、

腐蚀及磨损环境中服役，面临严峻的安全风险。因此，开发新型材料防护技术提升防

喷器旋塞阀球体的耐磨防腐性能成为研究热点。本论文以现役的16CrMnMo高强度马

氏体不锈钢作为基体，利用喷焊、超音速热喷涂技术在材料表面制备Ni基、WC基涂

层，研究涂层体系及加工方法对耐磨防腐涂层性能的影响，在此基础上对涂层进行耐

高温封闭处理，有效提高涂层腐蚀损伤寿命。

研究结果表明涂层制备方法显著影响涂层性能，喷焊工艺制备Ni60合金涂层能够

实现涂层与不锈钢基体冶金结合，但是由于剧烈的冷却过程导致涂层存在众多贯穿性

显微裂纹。随着涂层厚度的增加，耐蚀性能显著提高，当厚度达到200μm时耐蚀性能

有所降低，残余热应力导致裂纹数量增多引起涂层耐蚀性能降低。超音速喷涂涂层中

存在微小孔隙，喷涂工艺决定其显微硬度、摩擦磨损性能相较于喷焊有所降低，但对

基体不锈钢材料的性能影响较小，同时超音速热喷涂涂层的寿命明显高于喷焊涂层。

在镍基合金涂层成分基础上添加WC强化实现超硬性能设计，采用超音速热喷涂

技术制备WC-20CrC-7Ni和WC-10Co4Cr两种WC涂层。研究结果表明WC涂层的涂

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层孔隙率均明显低于Ni60涂层，同时WC基涂层的硬度、耐磨性及耐蚀性能均优于

Ni60涂层，涂层厚度为150μm时力学性能及耐蚀性能最佳，WC涂层中添加一定量的

Co能有效提升综合性能。

利用溶胶-凝胶法使用磷酸盐对涂层进行微孔封闭处理，进一步提高超硬涂层在高

温水介质环境中的服役寿命。研究结果表明AlPO和AlO实现微孔的均匀覆盖，同时

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封闭处理后涂层综合性能显著提高。厚度为150μm的三种涂层在封孔后进行长期阻抗

测试发现，经过30天浸泡后三种涂层均能够保持良好的耐蚀性，说明封孔处理可以明

显改善热喷涂涂层的长期耐蚀性能，其中WC-10Co4Cr涂层封孔后耐蚀性能最佳。

关键词：防喷器旋塞阀；超音速热喷涂；氧-乙炔火焰喷焊；耐磨防腐涂层；封孔处理

Ni基、WC基热喷涂涂层的制备及其耐磨耐蚀性能研究

Abstract

Duetoitshighhardness,excellentwearresistanceandgoodcorrosionresistance,thermal

sprayingcoatingiswidelyusedinextremewearandcorrosionconditionssuchasvalves,fan

bladesandconstructionmachinerypicks.Withthedevelopmentofoilandgasproductionto

ultra-deepformation,theBOPplugvalveball,asanimportantdrillingsafetytoolinthedrilling

process,isinserviceinthedownholehightemperature,corrosionandwearenvironment,facing

serioussafetyrisks.Therefore,developingnewmaterialprotectiontechnologytoimprovethe

wearresistanceandcorrosionresistanceofthecockvalveballoftheblowoutpreventerhas