CN101698940A

CN101698940A - 高抗汽蚀性复合覆层及其制备方法

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Publication number: CN101698940A
Application number: CN200910232886A
Authority: CN
Inventors: 吴玉萍; 张太超; 彭竹琴
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: CN101698940B

Abstract

本发明公开了一种高抗汽蚀性复合覆层，所述的复合覆层由非晶、纳米晶以及硼化物组成，其中，各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe，复合覆层厚度为100～400μm，复合覆层中非晶、纳米晶占复合覆层的40-80％体积。制备方法是将高速火焰熔化了的合金粉末直接喷射沉积到基体材料上，同时在沉积表面辅以冷却气体和/或将需沉积工件置于铜基基座上，同步制备出既含有非晶、纳米晶，又含有硼化物的复合覆层，这种复合覆层具有高硬度和高耐磨性。尤其纳米晶的形成不需后续退火处理。

Description

高抗汽蚀性复合覆层及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种水利机械过流部件表面覆层及其制备方法，特别涉及一种由非晶、纳米晶、硼化物组成的高抗汽蚀性的复合覆层及其制备方法。

二、背景技术

水轮机、水泵等水利机械过流部件在运行过程中往往受到严重的汽蚀、磨蚀、冲蚀作用，其中汽蚀损伤最为严重，汽蚀是材料在流体作用下疲劳损伤和腐蚀联合作用的结果。虽然人们认识到汽蚀已有一百多年，但由于汽蚀本身的复杂性及影响因素的多样性，汽蚀问题一直没有得到很好地解决。以水泵为例，困扰水泵正常运行的一大难题是水泵叶轮的汽蚀破坏，而叶轮是水泵的核心部件。在汽蚀、腐蚀、锈蚀等多种因素的作用下，水泵叶片表面大面积剥落，形成有突起和穴孔的蜂窝状表面，导致泵的使用寿命大为缩短、运行效率降低、振动加剧，给泵站的安全可靠运行造成威胁。

水力机械过流部件的使用材料经历了从青铜、铸铁到碳钢、不锈钢的发展历程。我国科研工作者还先后研制出Cr5Cu、Cr8CuMo、0Cr13Ni4CuMo、0Cr13Ni6Mo、0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni5Mo、17-4PH等钢种。近三十年来，0Cr13Ni4-6Mo马氏体不锈钢在大型水利工程中得到应用，但成本高。

水力机械过流部件的汽蚀损伤仅发生在材料表面，采用价格便宜的碳素结构钢或低合金结构钢作为母材，进行覆层处理，既节约了贵重材料，又使汽蚀严重部位得到保护，因而表面覆层处理是一种经济有效的措施。

采用表面覆层提高材料的抗汽蚀性由来已久，国内外材料研究者开展了很多这方面的研究，分别采用了火焰喷涂(焊)法、等离子熔覆法、激光熔覆法、电镀(化学镀)法等。在各种覆层的制备工艺中，若覆层与基体呈结合强度较低的机械结合，在汽蚀损伤条件下，覆层很容易沿覆层与基体的界面剥落，覆层性能再好也不能发挥作用，如大气等离子喷涂层、火焰喷涂层；对于结合强度高的涂层，如等离子喷焊层、激光熔覆层，涂覆层与基体呈冶金结合，虽有足够高的结合强度承受汽蚀破坏的冲击，但由于覆层在制备过程中引入了高温，工件易变形，尤其是对于叶片等变形要求严格的过流部件，问题更加严重。因此，制备一种与基体结合强度高、基体不变形的覆层，是提高抗汽蚀性迫切需要解决的问题。

三、发明内容

为了解决现有技术存在的结合强度高的覆层制备过程中高温易使工件变形，机械结合的涂层又易剥离的缺点，本发明提供一种高抗汽蚀性复合覆层及其制备方法，制备的复合覆层由非晶、纳米晶及硼化物组成，结合强度高，不易剥离。

本发明的技术方案为：一种高抗汽蚀性复合覆层，所述的复合覆层由非晶、纳米晶以及硼化物组成，其中，各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe，复合覆层厚度为100～400μm，复合覆层中非晶、纳米晶占复合覆层的40-80％体积。复合覆层的抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的3-7倍。其更优选的各元素的组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为33～43％、Ni为10～16％、Mo为2～3.2％、其余为Fe。

所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，是将高速火焰熔化了的合金粉末直接喷射沉积到基体材料上实现的，非晶、纳米晶、硼化物均直接在高速火焰沉积过程中形成，尤其纳米晶的形成不需后续退火处理，具体步骤如下：

第一步，按照各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe的比例配制金属粉末；金属粉末可以以合金或者金属单质的形式加入，金属粉末的粒度为10-70μm。

第二步，采用高速火焰喷射沉积的方法，在沉积表面辅以冷却气体和/或将需沉积工件置于铜基基座上，提高基体的冷却速度，使熔化了的合金粉末沉积到快速冷却的基体上形成覆层。高速火焰喷射沉积时的工艺参数为：氧气流量650-1100L/min，煤油流量15-35L/h，火焰枪距工件的距离280-550mm，氩气为送粉气，流量为6-25L/min，送粉量为4.0-8.0rpm，移动速度为300-800mm/s，冷却气体为惰性气体或氮气。

有益效果：

1.本发明的覆层由非晶、纳米晶、多种硼化物组成，具有很高的硬度，可达到800-1400HV。硬化机理为：多种硼化物的第二相强化、弥散强化，纳米晶的细晶强化、固溶强化等。

2.本发明的复合覆层具有优异的抗汽蚀性，为大型水利机械常用钢ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的3-7倍。

3.与其它覆层制备技术相比，覆层与基体部分呈冶金结合，部分呈机械结合，结合强度高；覆层致密，无裂纹，孔隙率低，基体不变形。由于在火焰高速沉积时辅以冷气冷却或者将工件置于铜基基座上以提高冷却速度，更易形成以非晶纳米晶为覆层基体，多种硼化物弥散分散其中的复合覆层。

4.镍的加入可以有效地改善硼化物为硬质相的覆层的韧性。本发明的方法制备的复合覆层将非晶的高断裂强度、高硬度、高弹性极限，纳米晶的高强度、良好的塑性变形能力及硼化物的高硬度、高耐磨性有机地结合在一起，提高了覆层的综合性能，具有优异的抗汽蚀性。

四、附图说明

图1为本发明的方法制备的复合覆层的覆层与基体界面的电镜图。

图2为本发明的方法制备的复合覆层的覆层与基体界面的电镜图。

从图1和2中可以清晰的看出覆层与基体的结合状况，覆层致密，孔隙率低。

图3为本发明的方法制备的复合覆层的电镜图。

图4为本发明的方法制备的复合覆层的电镜图。

由图3和图4可以清楚的看出纳米晶、非晶相形成覆层的基体，硼化物呈弥散分布在其中。

五、具体实施方式

实施例1：

按照各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe的比例；以B、Si、Cr、Ni、Mo、Fe配制金属粉末；

取铁基合金粉末，粒度为10-70μm，煤油为燃料，氧气为助燃剂，将汽蚀样品置于铜座上，氧气流量800L/min，煤油流量20L/h，火焰枪离工件的距离400mm，氩气为送粉气，流量为12L/min，送粉量为6.0rpm，喷枪移动速度为380mm/s。点火后，粉末从火焰枪中射出，直接沉积到工件表面，形成复合覆层。覆层的厚度为320μm，显微硬度950HV，覆层由非晶、纳米晶、硼化物组成，抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的4.5倍。

实施例2：

按照各元素组成按重量百分比计，B 8％、Si为3％、Cr为25％、Ni为20％、Mo为4％、其余为Fe的比例；以B、Si、Cr、Ni、Mo、Fe合金配制金属粉末；

取铁基合金粉末，粒度为10-70μm，煤油为燃料，氧气为助燃剂，将汽蚀样品置于铜座上，附加喷射氩气冷却，氧气流量950L/min，煤油流量28L/h，火焰枪离工件的距离450mm，氩气为送粉气，流量为10L/min，送粉量为8rpm，喷枪移动速度为450mm/s。点火后，粉末从喷枪中射出，直接沉积到汽蚀样品表面，形成覆层。覆层的厚度为350μm，显微硬度1100HV，覆层由非晶、纳米晶、硼化物组成，抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的5.5倍。

实施例3：

按照各元素组成按重量百分比计，B为10％、Si为4％、Cr为33％、Ni为16％、Mo为3.2％、其余为Fe的比例；以B、Si、Cr、Ni、Mo、Fe合金配制金属粉末；

取铁基合金粉末，粒度为10-70μm，煤油为燃料，氧气为助燃剂，将汽蚀样品置于铜座上，附加喷射氮气冷却，氧气流量950L/min，煤油流量28L/h，火焰枪离工件的距离450mm，氩气为送粉气，流量为10L/min，送粉量为8rpm，喷枪移动速度为450mm/s。点火后，粉末从喷枪中射出，直接沉积到汽蚀样品表面，形成覆层。覆层的厚度为400μm，显微硬度1150HV，覆层由非晶、纳米晶、硼化物组成，抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的6.5倍。

实施例4：

按照各元素组成按重量百分比计，B 8.5％、Si为6％、Cr为43％、Ni为10％、Mo为2％、其余为Fe的比例；以B、Si、Cr、Ni、Mo、Fe合金配制金属粉末；

取铁基合金粉末，粒度为10-70μm，煤油为燃料，氧气为助燃剂，将汽蚀样品置于铜座上，附加喷射氩气冷却，氧气流量650L/min，煤油流量18L/h，火焰枪离工件的距离350mm，氩气为送粉气，流量为10L/min，送粉量为8rpm，喷枪移动速度为450mm/s。点火后，粉末从喷枪中射出，直接沉积到汽蚀样品表面，形成覆层。覆层的厚度为150μm，显微硬度1100HV，覆层由非晶、纳米晶、硼化物组成，抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的5.5倍，复合覆层中非晶、纳米晶占复合覆层的40～80％体积。

实施例5：

按照各元素组成按重量百分比计，B 8.5％、Si为5％、Cr为38％、Ni为13％、Mo为2.5％、其余为Fe的比例；以B、Si、Cr、Ni、Mo、Fe合金配制金属粉末；

取铁基合金粉末，粒度为10-70μm，煤油为燃料，氧气为助燃剂，将汽蚀样品置于铜座上，附加喷射氩气冷却，氧气流量650L/min，煤油流量18L/h，火焰枪离工件的距离350mm，氩气为送粉气，流量为10L/min，送粉量为8rpm，喷枪移动速度为450mm/s。点火后，粉末从喷枪中射出，直接沉积到汽蚀样品表面，形成覆层。覆层的厚度为400μm，显微硬度1100HV，覆层由非晶、纳米晶、硼化物组成，抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的5.5倍，复合覆层中非晶、纳米晶占复合覆层的40～80％体积。

Claims

1.一种高抗汽蚀性复合覆层，其特征在于，所述的复合覆层由非晶、纳米晶以及硼化物组成，其中，各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe，复合覆层厚度为100～400μm，复合覆层中非晶、纳米晶占复合覆层的40-80％体积。

2.如权利要求1所述的高抗汽蚀性复合覆层，其特征在于，所述的复合覆层中各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为33～43％、Ni为10～16％、Mo为2～3.2％、其余为Fe。

3.如权利要求1或2所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，其特征在于，步骤为：

第一步，按照各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe的比例配制金属粉末；

第二步，采用高速火焰喷射沉积的方法，在沉积表面辅以冷却气体和/或将需沉积工件置于铜基基座上进行复合覆层的沉积。

4.如权利要求3所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，其特征在于，第一步中金属粉末以合金或者金属单质配制。

5.如权利要求3所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，其特征在于，第二步高速火焰喷射沉积时，氧气流量650-1100L/min，煤油流量15-35L/h，火焰枪距工件的距离280-550mm，氩气为送粉气，流量为6-25L/min，送粉量为4.0-8.0rpm，移动速度为300-800mm/s。

6.如权利要求3所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，其特征在于，第二步中的冷却气体为惰性气体或氮气。

7.如权利要求3所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，其特征在于，第一步中金属粉末的粒度为10-70μm。