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为了克服水轮机叶片在工作时,汽蚀、冲蚀磨损破坏导致的水轮机效率降低、出力减少、使用寿命缩短、更换和检修频繁等问题,本文采用等离子喷涂方法在45钢表面制备梯度涂层。采用扫描电镜、X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪和能谱装置对梯度涂层的微观组织、成分及相组成进行分析,采用电子万能试验机对梯度涂层的结合强度进行测试,采用维氏硬度仪对梯度涂层的显微硬度进行测量,并利用气流喷砂式冲蚀方法对梯度涂层的抗冲蚀性能进行测试。本文所设计的最佳梯度涂层结构为:基体-Ni/Al打底层-(2:1)混合粉涂层-(1:1)混合粉涂层-(1:2)混合粉涂层-Al2O3复合层,其中,2:1、1:1和1:2是指Ni/Al粉与Al2O3复合粉的质量比,混合粉采用球磨混合效果优于手动搅拌混合。Ni/Al打底层的主要组成相为Ni3Al,还有少量的Al2O3和Ni-O的化合物;Al2O3复合层是由许多扁平状组织叠加堆积而成,涂层的主要组成相为Al2O3和Ti O2,还有少量的Ti3O5;过渡涂层的主要组成相为Ni3Al,Al2O3,Ti O2和Al2Ti O5。手动搅拌混合粉末制成过渡层,组织及成分分布都很不均匀,分层现象非常明显,而采用球磨混合时,成分分布比较均匀,涂层中各个相呈相间交错分布,梯度涂层的组织表现出微观连续性的分布特征,涂层在整体上实现了平稳过渡。涂层内部孔隙比较细小,各个涂层之间均结合良好,形成类似“机械咬合”的连接。梯度涂层的性能测试结果表明:在Ni/Al打底层与Al2O3复合层中间制备三层过渡涂层(采用球磨混合粉末)时,获得梯度涂层的结合强度最高,达到36.80MPa,显著高于不含过渡涂层试样的结合强度(21.67MPa);对梯度涂层试样进行显微硬度测试得出,Ni/Al打底层的显微硬度最低,随着梯度涂层中Al2O3复合粉加入量的增加,显微硬度逐渐升高,Al2O3复合层的硬度值最高,涂层显微硬度呈现梯度变化。梯度涂层的抗冲蚀性能明显优于45钢基体。当冲蚀角度为90°时,梯度涂层的冲蚀磨损率达到最大,表现出脆性材料的冲蚀特性,失重主要由微切削和磨削造成,大角度冲蚀时,表面还有冲击坑和片状碎屑;当冲蚀角度为30°时,45钢基体的冲蚀磨损率达到最大,为典型塑形材料的冲蚀特性,失重主要由犁削和微切削造成。本文研制的梯度涂层成功应用于水轮机叶片,抗磨蚀性能均满足使用要求,运行1年后,涂层无大面积脱落,使用寿命高于0Cr13Ni5Mo水轮机叶片。