CN102181813A - 一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材 - Google Patents

Abstract

一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材，由低碳钢外皮包覆粉芯制成，粉芯由四种金属合金粉末混合而成，其特征在于粉芯的化学成分按质量百分比分别为：2%－6%硼、3%－7%硅、2%－7%磷、2%-5%镍、余量Fe。其制法为：将低碳钢钢带扎成U形，向U形槽中加入占丝材总重量的30%-40%的合金粉末；然后将U形槽合口，把粉末包覆其中。经拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2.0mm。采用高速电弧喷涂技术在冷却的钢基体上形成非晶纳米晶涂层，涂层组织结构致密、热稳定性能好，孔隙率﹤3%，非晶相含量≥70%，涂层的结合强度≥45MPa，平均硬度≥1000HV_0.1，能显著提高水力机械关键过流部件的抗汽蚀性能。

Description

一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材

技术领域

本发明涉及一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材，属于材料加工工程专业热喷涂领域。主要用做制备高性能非晶纳米晶涂层的电弧喷涂材料，应用于水力机械关键过流部件抗汽蚀性能。

背景技术

我国拥有丰富的水力资源，水电是一种绿色能源，发展水电对我国具有重要意义。但我国河流的含沙量大，且水轮机大都是按照国外清水条件设计的，在含泥沙浑水条件下，水轮机叶片磨损要超过清水时的20-50倍。在这样的环境下，水轮机一方面要经受泥沙流对其表面的产生的低应力冲刷磨损，另一方面气泡不断在其表面形核、生长及溃灭过程所造成的汽蚀破坏。因此强化过流部件表面的抗汽蚀性能或研发新型抗汽蚀涂层材料具有十分重要意义。

非晶材料内部不含位错、空位、间隙原子等晶体缺陷，纳米晶粒还有阻止微裂纹扩展的作用，可以提高材料的耐蚀性能、耐磨性能和抗汽蚀性能。电弧喷涂熔融粒子的凝固时间只有10^-7-10^-5s，具备非晶形成的条件，只要材料设计合理，就能够得到非晶涂层。

非晶涂层的制备方面，国外Branagan等（Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(2): 196-204）采用电弧喷涂美国SHS7170粉芯丝材（FeCrMoWBCSiMn）制备锅炉管道防护用的非晶纳米晶复合涂层。该涂层结合强度为44.5MPa，孔隙率为2-4%，氧化物含量约为5%，涂层中的非晶含量约占65％左右，具有优异的抗冲蚀性能。国内学者也对电弧喷涂方法制备的铁基非晶纳米晶涂层进行了初步研究：郭金花等（《金属学报》2007 43(7):780-784）采用高速电弧喷涂技术制备了FeCrBSiWCMn非晶纳米晶复合涂层，涂层的非晶含量为45.22%，且具有良好的耐腐蚀性能。傅斌友（《材料热处理学报》2008, 29(3): 159-162.）等人采用电弧喷涂技术制备了耐磨用FeCrCBSi非晶纳米晶复合涂层，涂层非晶含量为49%，涂层耐磨粒磨损性能是Q235钢的16.8倍。

高速电弧喷涂铁基非晶纳米晶复合涂层具有成形工艺性好、沉积效率高、成本低，涂层力学性能优异，可适用于水力机械过流部件抗汽蚀快速制造与再制造(修复)，应用前景广阔。但至今为止，从现有的文献报道来看，电弧喷涂铁基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材均为FeCrBSi体系；未见利用电弧喷涂技术制备高性能FeNiBSiP体系的非晶纳米晶涂层应用于水力机械抗汽蚀方面的报道。

发明内容

针对水力机械关键过流部件的汽蚀磨损等问题，本发明提供了一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该丝材制备出涂层组织结构致密、孔隙率﹤3%、热稳定性能好、氧化物含量低、非晶含量≥70%、结合强度≥45MPa，平均硬度≥1000HV_0.1，具有优异的抗汽蚀磨损性能，并且成本低。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材，由低碳钢外皮包覆粉芯制成，粉芯由四种金属合金粉末混合而成，其特征在于粉芯的化学成分按质量百分比分别为： 2%－6%硼、3%－7%硅、2%－7%磷、2%-5%镍、余量Fe。粉芯的填充率为30%-40%，粉芯丝材的直径为2mm。

本发明的粉芯丝材制备方法采用现有技术，包括以下步骤：

1.        将低碳钢钢带扎成U形，再向U形槽中加入占喷涂粉芯丝材总重量的38％的上述发明粉末；

2.        将U形槽合口，把粉末包覆在其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后粉芯丝材的直径为2mm，得到本发明的产品。

本发明有益的效果：合理设计粉芯各组分的含量，采用现有高速电弧喷涂技术可在冷却的钢基体上形成低氧化物含量、致密、连续的非晶纳米晶涂层；涂层中非晶含量≥70%，孔隙率﹤3%，结合强度≥45MPa，硬度在900－1300HV_0.1范围内。

附图说明

附图1：实施例1制备的非晶纳米晶涂层的X射线衍射图谱

附图2：实施例1制备的非晶纳米晶涂层的X射线衍射图谱拟合图

附图3：实施例1制备的非晶纳米晶涂层的截面形貌

附图4：实施例1制备的非晶纳米晶涂层的DSC曲线图。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

选用14×0.3mm（宽度为14mm，厚度为0.3mm）的低碳钢钢带。先将其扎成U形。取四种金属合金粉末按质量百分比：4%硼、5%硅、5%磷、3%镍、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形低碳钢钢带槽中，填充率为38％。然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流为120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例1制备的非晶纳米晶涂层的X射线衍射图谱见图1。可以看出，在2θ＝43.5°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD 图谱，说明在涂层在沉积过程中形成了非晶结构。图中没有发现对应于结晶相的反射峰，表明制备的涂层是非晶态；另外，图中除了含有非晶相（表征为红色的馒头峰）外，还含有少量的结晶的αFe相（蓝色的尖峰），根据衍射峰的半高宽，利用Scherrer公式（其中常数取0.89，λ取0.15406nm）计算了该物质的平均晶粒尺寸为37nm。通过对XRD图谱进行拟合，如图2所示：计算得到涂层中非晶含量为76％（体积分数）。采用本发明的方法制备出了FeNiBSiP非晶纳米晶复合涂层。

实施例1制备的非晶纳米晶涂层截面形貌如图3所示。可以看出：涂层组织均匀，结构致密，只有少量的黑色孔隙存在于涂层之中，经分析涂层的孔隙率为2.3%。结合强度测试结果表明，FeNiBSiP非晶纳米晶涂层的平均结合强度为48.6MPa。

实施例1制备的铁基非晶涂层的差热分析（DSC）曲线如图4所示，加热速率为10 K/min。在DSC曲线上能观察到一个明显的对应玻璃转变的吸热峰，利用切线法从DSC曲线上可确定玻璃转变的峰值温度Tg＝549.9℃。通过对DSC曲线局部放大可知，在300℃～500℃之间也存在一个较宽的吸热峰，经分析为玻璃软化温度，利用切线法得出其值为456.1℃。

对实施例1制备的铁基非晶涂层利用HVS－1000型维氏硬度计进行了显微硬度测试，结果表明涂层的显微硬度高达1254HV_0.1。

实施例2：

选用14×0.3mm（宽度为14mm，厚度为0.3mm）的低碳钢钢带。先将其扎成U形。取四种金属合金粉末按质量百分比：6%硼、7%硅、7%磷、5%镍、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形低碳钢钢带槽中，填充率为40％。然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流110A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.6MPa。实施例2制备涂层的非晶含量为73.8％（体积分数），平均结合强度为50.6MPa；涂层的孔隙率为1.9%；平均显微硬度为1079.9 HV_0.1。

实施例3：

选用14×0.3mm（宽度为14mm，厚度为0.3mm）的低碳钢钢带。先将其扎成U形。取四种金属合金粉末按质量百分比：2%硼、3%硅、2%磷、2%镍、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形低碳钢钢带槽中，填充率为32％。然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。实施例3制备涂层的非晶含量为71.6％（体积分数）平均结合强度为45.8MPa；涂层的孔隙率为2.6%；平均显微硬度为1004.7 HV_0.1。

Claims (2)

1.一种用于电弧喷涂非晶纳米晶抗汽蚀涂层的粉芯丝材，由低碳钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由四种金属合金粉末混合而成，粉芯的化学成分按质量百分比分别为： 2%－6%硼、3%－7%硅、2%－7%磷、2%-5%镍、余量Fe，粉芯的填充率为30%-40%，粉芯丝材的直径为2mm。

2.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于用该粉芯丝材制备出的非晶纳米晶抗汽蚀涂层，涂层中非晶含量≥70%，孔隙率＜3%，结合强度≥45MPa，硬度在900-1300HV_0.1范围内。

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