CN102586712A - 一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热喷涂粉末生产技术，特别是一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末及其制备工艺。本发明由碳化钨、钴、铬以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为86％，金属钴粉的质量百分比为9.2-9.4％，金属铬粉的质量百分比为4％，抑制剂碳化钛的质量百分比为0.6-0.8％；碳化钨由纳米晶碳化钨和中颗粒碳化钨按比例组成，其中纳米晶碳化钨的质量百分比为25.8-38.7％，中颗粒碳化钨的质量百分比为47.3-60.2％。本发明还包括了相应制备的工艺。它能够有效改善热喷涂后涂层的致密性，并且具有优异的韧性。

Description

一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种热喷涂粉末生产技术，特别是一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末及其制备工艺。

背景技术

热喷涂技术是表面改质领域中的一项关键技术，通过在被加工工件表面制备一层耐磨涂层，使工件的耐磨性能、耐腐蚀性能获得大幅提高。热喷涂WC/Co涂层作为耐磨、耐腐涂层，由于其高的硬度和良好的韧性广泛地应用于航空航天、冶金、机械等领域。相对于电镀硬铬层，热喷涂WC/Co涂层在耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性等方面有明显的优势，而且制备速度快，环境污染小。

阀门是流体输送系统的控制元件，也是石油管道系统中的重要组成部件，对大多数阀门来说，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的泄漏，会造成环境污染和经济损失；有毒有害流体、腐蚀性流体和易燃易爆流体的泄漏不仅会产生重大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。石油化工装置的操作温度比较高，介质多为油品、油气，且易燃、易爆。阀门在使用过程中，其密封面长期受到介质的冲刷和腐蚀，频繁承受高压力冲击。因此石油阀门的密封面通常采用热喷涂方法在基体金属上喷涂一层碳化钨钴铬合金(WC-10Co4Cr)，加工形成密封面。

但在使用常规WC-10Co4Cr热喷涂粉末制备密封面涂层时，由于涂层的致密性、韧性指标不易达到要求，产品合格率一直不高；使用中密封面的安全性也无可靠保障。

发明内容

本发明目的是提供一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末及其制备工艺，它能够有效改善热喷涂后涂层的致密性，并且具有优异的韧性。

本发明技术方案：一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末，由碳化钨、钴、铬以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为86％，金属钴粉的质量百分比为9.2-9.4％，金属铬粉的质量百分比为4％，抑制剂碳化钛的质量百分比为0.6-0.8％；碳化钨由纳米晶碳化钨和中颗粒碳化钨按比例组成，其中纳米晶碳化钨的质量百分比为25.8-38.7％，中颗粒碳化钨的质量百分比为47.3-60.2％。

纳米晶碳化钨粒度为0.05-0.2微米(BET：3.0-4.8m²/g)，中颗粒碳化钨粒度为2.0-5.0微米的。

碳化钛的粒度为1.0-1.5微米。

所述热喷涂粉末的松装密度为5.5-6.2g/cm³。

所述热喷涂粉末的粒度为5-30微米，其中粉末粒度在5-30微米内达92％以上。

一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末的工艺，包括以下步骤：

A、制备质量百分比为25.8-38.7％、粒度为0.05-0.2微米的纳米晶碳化钨，备好质量百分比为47.3-60.2％、粒度为2.0-5.0微米的中颗粒碳化钨；

根据美国英佛曼公司“金属碳化物的制备方法”专利，专利号2004100430580生产纳米晶碳化钨，中颗粒碳化钨为通用产品；

B、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入步骤A的纳米晶碳化钨、中颗粒碳化钨和质量百分比为9.2-9.4％钴粉及质量百分比为4％铬粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水及质量百分比为2.0％的聚乙烯醇进行混料，球磨时间22-28小时；配料时还必须加入质量百分比为0.3％的抗氧化剂，加入质量百分比为0.6-0.8％的晶粒生长抑制剂碳化钛；

C、造粒

采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，离心雾化盘转速为11000-12000转/分钟；

D、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为11-13分钟/舟，烧结温度为一带炉温950℃，二带炉温1150℃-1250℃；

E、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，粒度规格为5-30微米，松装密度为5.5-6.2g/cm³。

该新型WC-10Co4Cr热喷涂粉末主要用于高速空气燃料喷涂设备制备阀门密封面涂层，因此热喷涂粉末的粒度分布须在5-30微米之间，并且粒度组成中小于5微米的颗粒质量比为3-8％，大于30微米的颗粒质量比为8-15％；

表1(质量比)

本发明由多种一次晶粒度的碳化钨、钴粉、铬粉以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为86％，金属钴粉的质量百分比为9.2-9.4％，金属铬粉的质量百分比为4％，抑制剂碳化钛的质量百分比为0.6-0.8％；碳化钨由晶粒度为0.05-0.2微米的纳米晶碳化钨和2.0-5.0微米的中颗粒碳化钨按比例组成，其中纳米晶粒度碳化钨的质量百分比为25.8-38.7％，中颗粒碳化钨的质量百分比为47.3-60.2％。原料配比见表1。

经反复试验得知，如果喷涂粉末中纳米晶碳化钨的质量百分比含量小于25.8％，制备的涂层致密性优秀，但韧性差，压力反复变化的工作状态下易出现裂纹，导致涂层剥落，密封失效；如果喷涂粉末中纳米晶碳化钨的含量质量百分比大于38.7％，制备的涂层韧性好，但致密性一般，涂层孔隙率较高，极易形成泄漏通道，无法实现密封；因此，本发明的碳化钨中纳米晶粒度碳化钨的质量百分比确定为25.7-38.7％。

纳米碳化钨的质量比对涂层的耐磨性、韧性影响较大，因此，必须确保纳米碳化钨的含量比例。

当中颗粒碳化钨的晶粒度小于2.0微米时，这种热喷涂粉末的耐摩擦磨损性能不理想；当中颗粒碳化钨的晶粒度大于5.0微米时，这种热喷涂粉末的硬质相不易均匀分布，弥散强化作用不理想，容易出现明显软点。因此，中颗粒碳化钨的晶粒度在2.0-5.0微米时，生产的热喷涂粉末较好。

新型WC-10Co4Cr热喷涂粉末原料中含有活性较大的纳米晶碳化钨，因此在配料时必须加入质量百分比为0.3％的抗氧化剂，以抑制其在球磨混料及后序环节的氧化。

新型WC-12Co热喷涂粉末原料中含有纳米晶碳化钨，需要在配料时加入质量百分比为0.6-0.8％的晶粒生长抑制剂(碳化钛)，避免碳化钨在后序烧结过程中晶粒长大。同时，碳化钛也作为硬质相均匀分布在涂层，通过弥散强化提高涂层的力学性能。

新型WC-10Co4Cr热喷涂粉末的烧结程度可由松装密度衡量；新型WC-10Co4Cr热喷涂粉末的松装密度对粉末及涂层性能的影响见表2如下；

表2

由表2可见新型WC-12Co热喷涂粉末的松装密度应选择5.5-6.2g/cm³。

本发明积极效果：

(1)本发明既能确保涂层具有优异的韧性指标，又能获得良好的硬度、强度，完全适应阀门密封面的使用要求。

(2)本发明通过加入不同比例纳米晶碳化钨粉末，有效调节粉末喷涂后涂层的致密性、韧性等相关性能，以满足不同压力工况阀门密封面的密封要求；并通过控制热喷涂粉末的最终产品的粒度组成，确保了涂层的致密性。(见表1和实施例结论)。

具体实施方式

实施例1

以生产200kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表3，工艺附后。

表3

1、按表3数据制备纳米碳化钨，备好中颗粒碳化钨

根据美国英佛曼公司“金属碳化物的制备方法”专利，专利号2004100430580(中国专利公开号1569625A，申请人已获得使用许可)生产纳米碳化钨，中颗粒碳化钨为通用产品；

2、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为77.4kg(38.7％)的纳米晶碳化钨94.6kg(47.3％)中颗粒碳化钨、18.4kg(9.2％)钴粉和8kg(4％)铬粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水50kg及4.0kg(2.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备可使用可倾式滚筒球磨机或立式搅拌球磨机，球磨时间为24小时；由于原料中含有活性较大的纳米晶粒度碳化钨，因此在配料时必须加入0.6kg(0.3％)的抗氧化剂，以抑制其在混料及后序环节的氧化；同样由于纳米晶粒度碳化钨的存在，需要在配料时加入1.6kg(0.8％)的晶粒生长抑制剂碳化钛，美国专利“超细材料使用的晶粒生长抑制剂”(美国专利号US6277774，申请人已获得使用许可)对此作了详细描述；同时，碳化钛也作为硬质相均匀分布在涂层，通过弥散强化提高涂层的力学性能。

3、造粒

由于纳米晶碳化钨的存在，材料的流动性能较差，因此采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，使流动很差的超细粉末，经聚合成大的颗粒后，实现了良好的流动性能，从而可用现有热喷涂设备实现超细级涂层的制备；此技术从工程化角度，很好地解决了超细粉的供料难题。离心雾化盘转速为11000转/分钟；

4、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为12分钟/舟，烧结温度为1000℃(一带)；1250℃(二带)；晶粒生长抑制剂与纳米晶碳化钨可选择性地在低于晶粒生长温度之下进行热处理，从而更有效地使晶粒生长抑制剂加以弥散，并形成超细材料，其中晶粒生长抑制剂均匀地分布于晶粒的晶界；

5、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度组成要求采用过筛和气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，其中粒度规格为5-30微米125kg、15-45微米70kg，生产过程金属损失约5kg(2.5％)，其松装比重为5.7-6.2g/cm³。

实施例1得到的新型WC-10Co4Cr热喷涂粉末流动性好，颗粒强度大、致密，制备的涂层具有较好韧性，并具有良好耐磨性、致密性。

根据实际数据，采用这种新型热喷涂粉末与常规热喷涂粉末进行喷涂对比，在获得同样的硬度时，这种新型热喷涂粉末的韧性比常规粉末高5.7％；产品耐压实验通过率达到100％。因此该粉末适用于制备超高压阀门密封面涂层。

实施例2

以生产200kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表4，工艺附后。

1、按表4数据制备纳米碳化钨，备好中颗粒碳化钨

与实施例1相同；

表4

2、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为51.6kg(25.8％)的纳米晶碳化钨、120.4kg(60.2％)中颗粒碳化钨、18.8kg(9.4％)钴粉和8kg(4％)铬粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水50kg及4.0kg(2.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备可使用可倾式滚筒球磨机或立式搅拌球磨机，球磨时间为24小时；由于原料中含有活性较大的纳米晶粒度碳化钨，因此在配料时必须加入0.6kg(0.3％)的抗氧化剂，以抑制其在混料及后序环节的氧化；同样由于纳米晶粒度碳化钨的存在，需要在配料时加入1.2kg(0.6％)的晶粒生长抑制剂碳化钛，美国专利“超细材料使用的晶粒生长抑制剂”(美国专利号US6277774，申请人已获得使用许可)对此作了详细描述；

3、造粒

由于纳米晶碳化钨的存在，材料的流动性能较差，因此采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，使流动很差的超细粉末，经聚合成大的颗粒后，实现了良好的流动性能，从而可用现有热喷涂设备实现超细级涂层的制备；此技术从工程化角度，很好地解决了超细粉的供料难题。离心雾化盘转速为11000转/分钟；

4、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为12分钟/舟，烧结温度为950℃(一带)；1200℃(二带)；晶粒生长抑制剂与纳米晶碳化钨可选择性地在低于晶粒生长温度之下进行热处理，从而更有效地使晶粒生长抑制剂加以弥散，并形成超细材料，其中晶粒生长抑制剂均匀地分布于晶粒的晶界；

5、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度组成要求采用过筛和气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，其中粒度规格为5-30微米125kg、15-45微米70kg，生产过程金属损失约5kg(2.5％)，其松装比重为5.5-5.9g/cm³。

实施例2得到的新型WC-10Co4Cr热喷涂粉末流动性好，颗粒强度较好，且为多孔结构，制备的涂层具有较好耐磨性、致密性，并具有良好韧性。

根据实际数据，采用这种新型热喷涂粉末与常规热喷涂粉末进行喷涂对比，在获得同样的韧性时，这种新型热喷涂粉末的涂层硬度比常规粉末的涂层硬度高6.5％；产品耐压实验通过率达到100％。因此该粉末适用于制备中低压阀门密封面涂层。

未说明百分比均为质量百分比。

Claims (6)

1.一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末，其特征是：由碳化钨、钴、铬以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为86％，金属钴粉的质量百分比为9.2-9.4％，金属铬粉的质量百分比为4％，抑制剂碳化钛的质量百分比为0.6-0.8％；碳化钨由纳米晶碳化钨和中颗粒碳化钨按比例组成，其中纳米晶碳化钨的质量百分比为25.8-38.7％，中颗粒碳化钨的质量百分比为47.3-60.2％。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末，其特征是：纳米晶碳化钨粒度为0.05-0.2微米，BET：3.0-4.8m²/g；中颗粒碳化钨粒度为2.0-5.0微米的。

3.根据权利要求1所述的一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末，其特征是：碳化钛的粒度为1.0-1.5微米。

4.根据权利要求1所述的一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末，其特征是：所述热喷涂粉末的松装密度为5.5-6.2g/cm³。

5.根据权利要求1所述的一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末，其特征是：所述热喷涂粉末的粒度为5-30微米，其中粉末粒度在5-30微米内达92％以上。

6.一种用于制备超高压密封涂层的热喷涂粉末的工艺，包括以下步骤：

A、制备质量百分比为25.8-38.7％、粒度为0.05-0.2微米的纳米晶碳化钨，备好质量百分比为47.3-60.2％、粒度为2.0-5.0微米的中颗粒碳化钨；

根据美国英佛曼公司“金属碳化物的制备方法”专利，专利号2004100430580生产纳米晶碳化钨，中颗粒碳化钨为通用产品；

B、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入步骤A的纳米晶碳化钨、中颗粒碳化钨和质量百分比为9.2-9.4％钴粉及质量百分比为4％铬粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水及质量百分比为2.0％的聚乙烯醇进行混料，球磨时间22-28小时；配料时还必须加入质量百分比为0.3％的抗氧化剂，加入质量百分比为0.6-0.8％的晶粒生长抑制剂碳化钛；

C、造粒

采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，离心雾化盘转速为11000-12000转/分钟；

D、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为11-13分钟/舟，烧结温度为一带炉温950℃，二带炉温1150℃-1250℃；

E、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，粒度规格为5-30微米，松装密度为5.5-6.2g/cm³。