CN102211428B - 一种水泵叶片空蚀梯度修复涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泵叶片空蚀梯度修复涂层及其制备方法，所述的梯度修复涂层是采用高能电弧喷射制备，由水泵叶片基底到涂层表面依次设有：粘结层和工作层交替而成，最表面的一层为工作层，工作层中含有非晶和纳米晶，粘结层材料为NiAl合金，Ni占20~80%wt；工作层的材料为铁基合金；梯度修复涂层的总厚度为0.1~15mm。方法为：在常规喷砂处理过的水泵叶片基底表面上采用高能电弧法喷涂粘结层；接着在粘结层表面继续采用高能电弧法喷涂工作层、在工作层表面喷涂粘结层，交替进行，直至达到修复要求的厚度，最后喷涂一层工作层；然后再在工作层表面进行封孔处理。具有优异的抗空蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泵叶片空蚀修复涂层及其制备方法，特别涉及一种梯度涂层及其制备方法。
背景技术
空蚀是水泵等水力机械过流部件的主要损伤形式。在空蚀、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。
水泵材料经历了从青铜、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。近年来，人们对一些抗空蚀新材料进行了研究，如形状记忆合金、金属间化合物、钛基合金等。但仅处在研究阶段。
提高水泵材料的抗空蚀性能一方面可以采用抗空蚀性能好的材料，这往往会增加成本；二是改进水泵设计。其实，过流部件的空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，又使空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。
国内外材料研究者开展了堆焊、火焰喷涂（焊）法、等离子熔覆法、激光熔覆法、电镀（化学镀）法等提高抗空蚀性能的表面技术研究。实际操作中，应用最多的是堆焊。堆焊法可使焊层与基体形成冶金结合，结合强度高，但冲淡率大, 焊层厚且不均匀, 加工余量大, 对工件基体材料的可焊性要求高，基体变形大。因此，堆焊法不能彻底解决水泵过流部件空蚀问题。因此，制备一种厚度大、与基体结合强度高、基体不变形的覆层，是水泵叶片修复需要解决的问题。
发明内容
本发明提供一种水泵叶片空蚀修复方法，制备的涂层结合强度高、厚度大，可以直接修复空蚀损伤部位。
本发明的技术方案为：一种水泵叶片空蚀梯度修复涂层，所述的梯度修复涂层是采用高能电弧喷射制备，由水泵叶片基底到涂层表面依次设有：粘结层和工作层交替而成，最表面的一层为工作层，工作层中含有非晶和纳米晶，粘结层材料为NiAl合金，Ni占20~80%wt；工作层的材料为铁基合金；梯度修复涂层的总厚度为0.1~15mm。
制备所述的水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，步骤为：
第一步，在常规喷砂处理过的水泵叶片基底表面上采用高能电弧法喷涂粘结层；
第二步，接着在粘结层表面继续采用高能电弧法喷涂工作层、在工作层表面喷涂粘结层，交替进行，直至达到修复要求的厚度，最后喷涂一层工作层；
第三步，然后再在工作层表面进行封孔处理。
第一步中喷砂处理是采用三氧化铝或石英砂，粒度10~50目进行处理的。
水泵叶片基底上的第一层粘结层的厚度为0.1~1mm，其余的粘结层厚度小于0.5mm。
工作层每层的厚度小于1.0mm。
高能电弧法中所使用的喷涂线材的直径为1.0~3.0mm。
高能电弧法中的喷涂距离为150~350mm；喷涂电流150~450A，电压15~50V。
所述的封孔处理中采用的封孔剂中添加有纳米陶瓷Al2O3颗粒，颗粒尺寸5~100nm。
有益效果：
1．本发明的水泵叶片的修复方法采用高能电弧喷涂，成本低。修复层由粘结和工作层交替组成，工作层的硬度为500-1000HV，工作层含有非晶和纳米晶，其在工作层中的体积含量可以达到20-60%。
2．本发明的梯度复合覆层具有优异的抗空蚀性，与1Cr18Ni9Ti相近。
3．与其它涂层制备技术相比，涂层厚度大，由于粘结层材料与工作层材料交替分布，有效地缓解了涂层残余应力，涂层与基底材料及层与层之间结合强度高，足以抵抗空蚀损伤。
4.在表面还使用了封孔剂进行封孔，封孔剂采用有机材料，渗透力强，室温固化，封孔效果好。
附图说明
图1为 本发明的方法制备的叶片空蚀修复工作层的光学显微照片。由变形良好的粒子、孔隙和圆形颗粒组成。
图2为修复工作层的透射电镜照片。工作层中含有非晶和纳米晶。
具体实施方式
一种水泵叶片空蚀梯度修复涂层，是采用高能电弧喷射制备，由水泵叶片基底到涂层表面依次设有：粘结层和工作层交替而成，最表面的一层为工作层，工作层中含有非晶和纳米晶，粘结层材料为NiAl合金，Ni占20~80%wt；工作层的材料为铁基合金；梯度修复涂层的总厚度为0.1~15mm。
制备所述的水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，是采用高能电弧喷射法，将熔化了的合金线材直接喷射沉积到基体材料上实现的，工作层中含有非晶、纳米晶，非晶、纳米晶均直接在沉积过程中形成，所以有很好的结合强度。具体步骤如下：
第一步，在经过常规的喷砂处理的基底表面上喷涂粘结层；喷砂处理时采用三氧化铝或石英砂，粘结层厚度为0.1-1mm，粘结层材料为NiAl合金，其中，Ni20-80%wt。
第二步，在粘结层表面沉积工作层，然后一层粘结层一层工作层的交替沉积，粘结层厚度小于0.5mm，工作层厚度小于1.0mm。工作层采用铁基合金。
第三步，最后在表面沉积工作层；工作层厚度小于1.0mm。喷涂距离150-350mm；喷涂电流150-450A，电压15-50V。
第四步，在工作层表面再进行封孔处理。封孔剂采用有机材料，渗透力强，室温固化，封孔效果好。封孔剂中添加了纳米陶瓷Al2O3颗粒，纳米陶瓷颗粒在封孔剂中分散均匀。
实施例1：
对ZG230-450进行喷砂处理，得到粗糙表面，首先采用高能电弧喷涂NiAl合金作为底层的粘结层，厚度0.2mm，然后再交替的使用高能电弧喷涂成分为Fe基合金的工作层和成分为NiAl合金的粘结层，厚度共2mm。其中，Fe基合金具体可以采用低碳钢皮包覆Fe基合金粉末，粉末成分按重量百分比为硼2.0%、3.0%硅、10%铬、其余为铁；最后再采用高能电弧喷涂Fe基合金工作层，总厚度2.5mm。工作层中含有非晶、纳米晶。最后用有机硅进行封孔处理，有机硅中含3%wt的纳米陶瓷Al2O3。涂层与基体结合强度45MPa，工作层的硬度为640HV，梯度复合涂层的抗空蚀性能接近1Cr18Ni9Ti。
实施例2：
对ZG230-450进行喷砂处理，得到粗糙表面，首先高能电弧喷涂NiAl粘结底层，厚度0.15mm，然后交替高能电弧喷涂Fe基合金（硼的重量百分比3.5%，2.5%硅，12%铬，其余为Fe）和NiAl合金层，厚度共5mm，再后高能电弧喷涂Fe基含非晶、纳米晶工作层，总厚度6.6mm，最后用有机硅封孔处理，有机硅中含5%纳米Al2O3,结合强度40MPa，工作层的硬度为750HV，梯度复合涂层的抗空蚀性能接近1Cr18Ni9Ti。
实例3：
对ZG230-450进行喷砂处理，得到粗糙表面，首先高能电弧喷涂NiAl粘结底层，厚度0.15mm，然后交替高能电弧喷涂Fe基合金（硼的重量百分比4.0%，3.0%硅，15%铬，其余为铁）和NiAl合金层，厚度共5mm，再后高能电弧喷涂Fe基合金，工作层中含非晶、纳米晶，总厚度8.0mm，最后用环氧树脂封孔处理，环氧树脂中含5%纳米Al2O3,涂层与结合强度38MPa，工作层的硬度为900HV，梯度复合涂层的抗空蚀性能接近1Cr18Ni9Ti。
Claims (8)
1.一种水泵叶片空蚀梯度修复涂层，其特征在于，所述的梯度修复涂层是采用高能电弧喷射制备，由水泵叶片基底到涂层表面依次设有：粘结层和工作层交替而成，最表面的一层为工作层，工作层中含有非晶和纳米晶，粘结层材料为NiAl合金，Ni占20~80%wt；工作层的材料为铁基合金；梯度修复涂层的总厚度为0.1~15mm。
2.制备如权利要求1所述的水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，步骤为：
第一步，在常规喷砂处理过的水泵叶片基底表面上采用高能电弧法喷涂粘结层；
第二步，接着在粘结层表面继续采用高能电弧法喷涂工作层、在工作层表面喷涂粘结层，交替进行，直至达到修复要求的厚度，最后喷涂一层工作层；
第三步，然后再在工作层表面进行封孔处理。
3.如权利要求2所述的制备水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，第一步中喷砂处理是采用三氧化铝或石英砂，粒度10~50目进行处理的。
4.如权利要求2所述的制备水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，水泵叶片基底上的第一层粘结层的厚度为0.1~1mm，其余的粘结层厚度小于0.5mm。
5.如权利要求2所述的制备水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，工作层每层的厚度小于1.0mm。
6.如权利要求2所述的制备水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，高能电弧法中所使用的喷涂线材的直径为1.0~3.0mm。
7. 如权利要求2所述的制备水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，高能电弧法中的喷涂距离为150~350mm；喷涂电流150~450A，电压15~50V。
8.如权利要求2所述的制备水泵叶片空蚀梯度修复涂层的方法，其特征在于，所述的封孔处理中采用的封孔剂中添加有纳米陶瓷Al2O3颗粒，颗粒尺寸5~100nm。
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