CN101580939A - 一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及设计材料、电力、冶金、机械等技术领域的表面工程技术，特别是涉及一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法。该方法基于碳化钨陶瓷材料的高硬度、耐磨性、耐蚀性，NiCrBSi合金良好的自熔性和润湿性及等离子喷涂技术的特点，在低碳钢基材表面制备碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料(WCP/NiCrBSi)涂层，提高耐冲蚀耐磨性能。本发明制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层的工艺流程为：涂层设计→喷涂粉末筛选→粉末按一定比例混合→基材表面处理→控制等离子喷涂参数→制备WCP/NiCrBSi涂层。

Description

一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术，涉及材料、电力、冶金、机械等技术领域。
背景技术
电力工业是国民经济的支柱产业。火力发电厂锅炉燃煤产生的粉煤灰和炉渣约占耗煤量的1/5左右，粉煤灰和炉渣的处理成为火力发电的重要生产环节。除灰的方法主要分为两种：一种是采用水力除灰系统清理和输送灰渣(简称水除灰)；另一种是采用气力除灰系统清理和输送灰渣(简称干除灰)。由于干除灰系统具有节约水资源、对环境无污染、灰渣可再利用等优点，目前国外发达国家火力发电厂均采用干除灰系统，我国40％以上的火力发电厂也已从国外引进干除灰系统。但是，干除灰系统零部件严重的磨损问题一直是干除灰技术在我国广泛应用的主要障碍，也是影响火力发电厂运行效率、运行安全及发电成本的主要问题之一。
火电厂干除灰系统的磨损形式主要为冲蚀磨损。为了提高除灰系统的耐磨性能，我国主要采用传统的电弧堆焊耐磨材料或电镀硬铬方法，迄今为止，这两种方法均不能明显提高干除灰系统的耐冲蚀磨损性能和使用寿命。国外发达国家主要采用表面工程技术，在干除灰系统易磨损零部件表面制备耐磨涂层，提高其耐磨性和使用寿命。根据干除灰系统的磨损形式，陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层是提高干除灰系统耐冲蚀磨损性能的有利选择对策。碳化钨陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性；NiCrBSi合金具有自熔性及良好的润湿性；等离子喷涂技术具有涂层种类多、喷涂工艺稳定、涂层质量高、对零部件尺寸无限制等优点。因此，采用等离子喷涂技术，在干除灰系统易磨损零部件表面制备碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料(WCP/NiCrBSi)涂层，显著提高其耐磨性及使用寿命，具有重要的工程应用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法，该方法基于碳化钨陶瓷材料的高硬度、耐磨性、耐蚀性，NiCrBSi合金良好的自熔性和润湿性及等离子喷涂技术的特点，在低碳钢基材表面制备碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料(WCP/NiCrBSi)涂层，提高耐冲蚀耐磨性能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法，按已下工艺步骤进行：
a)喷涂粉末筛选：对纯度＞99.9％的WC陶瓷粉末和由15-20％Cr、3.0-4.5％B、4.0-6.0％Si、0.5-1.1％C、＜5.0％Fe和余量为Ni组成的NiCrBSi合金粉末分别进行筛选，获得粒度为50μm-100μm的陶瓷粉末和粒度为60μm-130μm的NiCrBSi合金粉末，以此控制复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的粒径；
b)将筛选后的陶瓷粉末和合金粉末按一定质量百分比均匀混合，形成33-37％WC+67-63％NiCrBSi混合喷涂粉末，以控制复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的体积分数及WCP/NiCrBSi、涂层/基材界面的结合性能；
c)粉末按一定比例混合：喷涂前，用丙酮清洗低碳钢基材表面去除油污；而后采用射吸式喷砂机和16#棕刚玉砂对低碳钢基材表面喷砂处理，增加表面粗糙度；
d)控制等离子喷涂参数：控制等离子喷涂参数使WC陶瓷粉末颗粒仅表面局部熔化，而NiCrBSi合金粉末颗粒整体完全熔化，实现WCP/NiCrBSi复合材料涂层的制备；等离子喷涂参数为：电流400A-430A；电压48V-50V；主气Ar45L/min-47L/min；次气H21L/min-2L/min；送粉速度30g/min-34g/min；喷涂距离80mm-100mm；喷涂速度130mm/s-170mm/s；
e)采用等离子喷涂技术和WC+NiCrBSi混合喷涂粉末，在喷砂处理的基材表面制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层，在等离子喷涂过程中，等离子喷枪用机器手控制以保证喷涂工艺及涂层质量稳定。
所述的将筛选后的陶瓷粉末和合金粉末按一定质量百分比均匀混合，具体为：33-37％WC+67-63％NiCrBSi。
试验结果表明，WCP/NiCrBSi复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的粒径、体积分数及WCP/NiCrBSi、涂层/基材界面的结合性能，对复合材料涂层的耐冲蚀耐磨性能具有明显的影响。通过优化WC、NiCrBSi喷涂粉末的粒度，WC粉末在WC+NiCrBSi混合粉末中的质量百分数及等离子喷涂工艺参数获得的WCP/NiCrBSi复合材料涂层(厚度为200-400μm)，可显著提高耐冲蚀磨损性能。
本发明的方法制备的WCP/NiCrBSi复合材料涂层的组成及达到的性能指标：(1)WCP/NiCrBSi复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体粒径为30μm-80μm、体积分数为28％-34％；(2)复合材料涂层与低碳钢基材间的界面结合强度为26MPa-37MPa；(3)WCP/NiCrBSi复合材料涂层的冲蚀磨损率为5.3×10-3mm3/g-5.9×10-3mm3/g，与低碳钢基材相比(33.9×10-3 mm3/g)，WCP/NiCrBSi涂层的耐冲蚀磨性能提高6倍以上。
本发明具有以下主要优点：(1)WCP/NiCrBSi复合材料涂层的WC陶瓷颗粒增强体具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性，可显著提高耐冲蚀磨损性能；(2)NiCrBSi合金基体材料具有良好自熔性和润湿性，且价格低于钴基合金，有利于提高增强体/基体、涂层/基材界面结合性能及涂层的使用性能，也可降低涂层制备成本；(3)碳化钨陶瓷材料熔点高(2776℃)、热导率低，而NiCrBSi合金熔点相对较低(～1180℃)、热导率较高，通过优化等离子喷涂参数，有利于实现WCP/NiCrBSi复合材料涂层的制备。
附图说明
图1是WCP/NiCrBSi复合材料涂层组织。
图2是WCP/NiCrBSi界面。
具体实施方式
本发明制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层的工艺流程为：涂层设计→喷涂粉末筛选→粉末按一定比例混合→基材表面处理→控制等离子喷涂参数→制备WCP/NiCrBSi涂层。
对WC陶瓷粉末(纯度＞99.9％)和NiCrBSi合金粉末(15-20％Cr，3.0-4.5％B，4.0-6.0％Si，0.5-1.1％C，＜5.0％Fe，Ni＝余量)分别进行筛选，获得粒度为50μm-100μm的陶瓷粉末和粒度为60μm-130μm的NiCrBSi合金粉末，以此控制复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的粒径。将筛选后的陶瓷粉末和合金粉末按一定质量百分比均匀混合，形成33-37％WC+67-63％NiCrBSi混合喷涂粉末，以控制复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的体积分数及WCP/NiCrBSi、涂层/基材界面的结合性能。喷涂前，用丙酮清洗低碳钢基材表面去除油污；而后采用射吸式喷砂机和16#棕刚玉砂对低碳钢基材表面喷砂处理，增加表面粗糙度。采用等离子喷涂技术和WC+NiCrBSi混合喷涂粉末，在喷砂处理的基材表面制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层，在等离子喷涂过程中，等离子喷枪用机器手控制以保证喷涂工艺及涂层质量稳定；控制等离子喷涂参数使WC陶瓷粉末颗粒仅表面局部熔化，而NiCrBSi合金粉末颗粒整体完全熔化，实现WCP/NiCrBSi复合材料涂层的制备；等离子喷涂参数为：电流400A-430A；电压48V-50V；主气(Ar)45L/min-47L/min；次气(H2)1L/min-2L/min；送粉速度30g/min-34g/min；喷涂距离80mm-100mm；喷涂速度130mm/s-170mm/s。
下面以在低碳钢干除灰阀门密封面等离子喷涂制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层为例，详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1、采用35％WC+65％NiCrBSi混合喷涂粉末，等离子喷涂参数为：电流410A；电压49V；主气(Ar)46L/min；次气(H2)1.5L/min；送粉速度32g/min；喷涂距离90mm；喷涂速度150mm/s，制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层。WCP/NiCrBSi涂层的冲蚀耐磨率为5.3×10-3mm3/g-5.6×10-3mm3/g；涂层/基材界面结合强度为30MPa-36MPa。
实施例2、采用33％WC+67％NiCrBSi混合喷涂粉末，等离子喷涂参数为：电流410A；电压49V；主气(Ar)46L/min；次气(H2)1.5L/min；送粉速度32g/min；喷涂距离90mm；喷涂速度150mm/s，制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层。WCP/NiCrBSi涂层的冲蚀耐磨率为5.5×10-3mm3/g-5.8×10-3mm3/g；涂层/基材界面结合强度为30MPa-37MPa。
实施例3、采用37％WC+63％NiCrBSi混合喷涂粉末，等离子喷涂参数为：电流410A；电压49V；主气(Ar)46L/min；次气(H2)1.5L/min；送粉速度32g/min；喷涂距离90mm；喷涂速度150mm/s，制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层。WCP/NiCrBSi涂层的冲蚀耐磨率为5.4×10-3mm3/g-5.8×10-3mm3/g；涂层/基材界面结合强度为26MPa-31MPa。
实施例4、采用35％WC+65％NiCrBSi混合喷涂粉末，等离子喷涂参数为：电流400A；电压48V；主气(Ar)45L/min；次气(H2)1L/min；送粉速度30g/min；喷涂距离80mm；喷涂速度130mm/s，制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层。WCP/NiCrBSi涂层的冲蚀耐磨率为5.3×10-3mm3/g-5.9×10-3mm3/g；涂层/基材界面结合强度为27MPa-33MPa。
实施例5、采用35％WC+65％NiCrBSi混合喷涂粉末，等离子喷涂参数为：电流430A；电压50V；主气(Ar)47L/min；次气(H2)2L/min；送粉速度34g/min；喷涂距离100mm；喷涂速度150mm/s，制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层。WCP/NiCrBSi涂层的冲蚀耐磨率为5.5×10-3mm3/g-5.9×10-3mm3/g；涂层/基材界面结合强度为30MPa-37MPa。
实施例6、采用33％Al2O3+67％NiCrBSi混合喷涂粉末，等离子喷涂参数为：电流400A；电压48V；主气(Ar)45L/min；次气(H2)1L/min；送粉速度30g/min；喷涂距离80mm；喷涂速度130mm/s，制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层。WCP/NiCrBSi涂层的冲蚀耐磨率为5.3×10-3mm3/g-5.9×10-3mm3/g；涂层/基材界面结合强度为26MPa-35MPa。

Claims (2)

1、一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法，其特征在于按以下工艺步骤进行：
a)喷涂粉末筛选：对纯度＞99.9％的WC陶瓷粉末和由15-20％Cr、3.0-4.5％B、4.0-6.0％Si、0.5-1.1％C、＜5.0％Fe及余量为Ni组成的NiCrBSi合金粉末分别进行筛选，获得粒度为50μm-100μm的陶瓷粉末和粒度为60μm-130μm的NiCrBSi合金粉末，以此控制复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的粒径；
b)将筛选后的陶瓷粉末和合金粉末按一定质量百分比均匀混合，形成33-37％WC+67-63％NiCrBSi混合喷涂粉末，以控制复合材料涂层中WC陶瓷颗粒增强体的体积分数及WCP/NiCrBSi、涂层/基材界面的结合性能；
c)粉末按一定比例混合：喷涂前，用丙酮清洗低碳钢基材表面去除油污；而后采用射吸式喷砂机和16#棕刚玉砂对低碳钢基材表面喷砂处理，增加表面粗糙度；
d)控制等离子喷涂参数：控制等离子喷涂参数使WC陶瓷粉末颗粒仅表面局部熔化，而NiCrBSi合金粉末颗粒整体完全熔化，实现WCP/NiCrBSi复合材料涂层的制备；等离子喷涂参数为：电流400A-430A；电压48V-50V；主气Ar45L/min-47L/min；次气H2 1L/min-2L/min；送粉速度30g/min-34g/min；喷涂距离80mm-100mm；喷涂速度130mm/s-170mm/s；
e)采用等离子喷涂技术和WC+NiCrBSi混合喷涂粉末，在喷砂处理的基材表面制备WCP/NiCrBSi复合材料涂层，在等离子喷涂过程中，等离子喷枪用机器手控制以保证喷涂工艺及涂层质量稳定。
2、根据权利要求1所述的一种碳化钨陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法，其特征在于，所述的将筛选后的陶瓷粉末和合金粉末按一定质量百分比均匀混合，具体为：33-37％WC+67-63％NiCrBSi。
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