CN103962548A - 一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料及其制备方法，该涂层材料为WC硬质相颗粒增强NiTi基体相的复合涂层粉末材料，WC硬质相颗粒含量占复合涂层粉末材料的1-50wt％，NiTi基体相为B2相结构的NiTi金属间化合物，WC硬质相颗粒的晶粒尺寸为<100nm的纳米级或者<1μm的亚微米级，在NiTi金属间化合物基体相中呈均匀弥散分布；其制备方法采用机械球磨技术化合或雾化造粒技术，制备的粉末粒度为5-100微米；该粉末保持了NiTi合金的抗空蚀性能，同时具有WC优异的抗磨损性能。采用该粉末喷涂的涂层不需进行热处理。
Description
技术领域
本发明涉及水轮机过流部件磨损和空蚀技术领域，具体涉及一种水轮机过流部件表面用的兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料及其制备方法。
背景技术
水轮机过流部件，如水轮机转轮、导叶、顶盖、底环等过流部件，往往会受到泥沙磨蚀而导致过流部件表面的金属流失，使设备在运行中产生振动和噪音，造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短，严重影响机组运行稳定性和安全性，造成巨大的经济损失，甚至威胁到整个电网的安全运行。水轮机的磨蚀是冲蚀、磨损和空蚀等现象共同作用的结果，三者同时存在，相互促进，共同导致水轮机过流部件的磨蚀损伤。
目前广泛采取涂抹聚氨酯、聚乙烯涂层以及热喷涂技术喷涂耐磨涂层等方式进行抗磨蚀损伤。然而非金属抗磨蚀材料由于结合强度太低(通常低于40MPa)，仅仅在我国北方如黄河流域等低水头电站中获得一定应用，主要起抗磨损作用，兼具一定抗空蚀损伤的功能，在云、贵、川一带的高水头电站中未获得成功应用。热喷涂涂层如喷焊NiCrBSi涂层、超音速火焰喷涂(HVOF)WC-Co涂层等也获得了广泛的应用。然而，热喷涂硬质涂层仅仅在小角度冲蚀和抗磨损方面具有较好的功能，在转轮进水边处受到接近90度冲击时，防护效果并不明显，甚至不如基体材料，尤其不具有抗空蚀损伤的功能，在混流式水轮机的出水边叶片背面常常可以观察到HVOF喷涂WC涂层受到空蚀作用而损伤的现象。目前广泛应用的金属或合金材料都不具有比基体0Cr13Ni4-6Mo系列不锈钢更优的抗空蚀性能。
NiTi涂层具有较高的抗空蚀性能，其原理为在受到空化气泡溃灭产生的冲击过程中,NiTi合金受到冲击应力作用发生马氏体的相变,相变过程中，吸收了空化产生的能量，从而起到抗空蚀的作用。B2相NiTi合金与马氏体NiTi合金相比具有更优异的抗空蚀性能。尽管NiTi合金具有比0Cr13Ni4-6Mo系列不锈钢更优异的抗空蚀、磨损和冲蚀性能，但目前各种制备方法如电弧喷涂、等离子喷涂、激光熔覆的NiTi合金涂层的硬度(≤700HV)低于WC涂层(1000-1500HV)的硬度，使其抗冲蚀磨损性能也低于WC涂层。目前NiTi合金在水轮机表面抗磨蚀损伤方面尚无应用。
当前技术水平使抗磨损和抗空蚀在水轮机表面涂层中无法得到统一，是水电领域一大技术难题。这一难题的解决对于降低水电站检修费用和延长检修周期，对于保障我国能源供给以及对我国能源经济的发展具有重要意义。
因此，对于发生冲蚀、气蚀、磨损的水轮机过流面，需要一种同时具有抗磨损和抗空蚀的涂层材料。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料及其制备方法，该材料具有比目前广泛使用的WC涂层更优异的抗空蚀性能，同时具有比单一NiTi金属间化合物更高的抗冲蚀磨损性能。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料，该涂层材料为WC硬质相颗粒增强NiTi基体相的复合涂层粉末材料，所述WC硬质相颗粒含量占复合涂层粉末材料的1-50wt％，NiTi基体相为B2相结构的NiTi金属间化合物，WC硬质相颗粒的晶粒尺寸为<100nm的纳米级或者<1μm的亚微米级，在NiTi金属间化合物基体相中呈均匀弥散分布。
所述复合涂层粉末材料的粉末粒度为10-100微米。
上述的一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料的制备方法，将占复合涂层粉末材料的1-50wt％的纳米或亚微米级WC颗粒加入B2相结构的NiTi金属间化合物粉末或熔体中，通过球磨工艺进行机械合金化或通过雾化造粒技术进行制备，然后将获得的粉末进行分筛，获得小于50微米的粉末用于超音速火焰喷涂或冷喷涂，或者筛分成40-100微米粒径的粉末用于等离子喷涂。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
该粉末采用的原材料为具有B2相结构的NiTi合金，由于球磨温度低至-200℃左右，在低温球磨过程中不会产生相变；或在NiTi合金熔铸过程中通过成分控制和冷却工艺控制使凝固后的金属为B2相结构的NiTi合金。因此所制备的粉末在喷涂后不需要进行热处理以获得具有B2相结构的NiTi合金。加入WC颗粒后，由于WC颗粒具有极高硬度，可提高复合材料的硬度，从而使复合粉末材料具有B2结构NiTi基体相的抗空蚀性能，具有比NiTi合金自身更优异的抗磨损功能。
具体实施方式
实施例1：将分别占总重量5wt％、10wt％、20wt％的游离态纳米WC硬质相颗粒(约50纳米)与具有CsCl型体心立方B2结构的NiTi粉体材料混合均匀，在低温球磨工艺下进行球磨，球磨25h后，通过粒度筛分，将粉末粒度控制在10-100微米，获得可用于超音速火焰喷涂、等离子喷涂用的WC颗粒增强的NiTi复合涂层粉末材料。采用超音速火焰喷涂后涂层的空蚀性能和磨损性能如表1所示，添加纳米WC颗粒后，NiTi合金的空蚀体积损失并未明显增加，但在15°和90°下，采用100M的棕刚玉进行冲蚀磨损后，其冲蚀损伤体积得到明显降低，接近于WC涂层的冲蚀磨损体积损伤，NiTi合金的冲蚀磨损性能获得提高。
实施例2：将NiTi金属丝材，通过电弧喷涂工艺将丝材熔化并雾化喷涂于蒸馏水中，获得NiTi相的粉末颗粒，然后将其与占总重量5wt％的纳米WC硬质相颗粒进行混合，通过低温球磨技术，进行机械合金化25h，通过粒度筛分，将粉末粒度控制在10-100微米，获得可用于超音速火焰喷涂、等离子喷涂用的WC颗粒增强的NiTi复合涂层粉末材料。
实施例3：将占总重量5wt％的亚微米WC硬质相颗粒与具有CsCl型体心立方B2结构的NiTi粉体材料混合均匀，在低温球磨工艺下进行球磨，球磨25h后，通过粒度筛分，将粉末粒度控制在10-100微米，获得可用于超音速火焰喷涂、等离子喷涂用的WC颗粒增强的NiTi复合涂层粉末材料。
实施例4：在NiTi熔铸过程中，将占总重量30wt％的亚微米WC硬质相颗粒加入熔融态原子比例为近等原子比的NiTi熔体中，通过雾化造粒技术，将得到的NiTi粉末进行喷雾造粒，控制粒径范围为10-100微米，获得可用于超音速火焰喷涂、等离子喷涂用的WC颗粒增强的NiTi复合涂层粉末材料。
表1超音速火焰喷涂WC增强NiTi合金粉末制备的涂层与NiTi和WC涂层的对比
Claims (3)
1.一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料，其特征在于：该涂层材料为WC硬质相颗粒增强NiTi基体相的复合涂层粉末材料，所述WC硬质相颗粒含量占复合涂层粉末材料的1-50wt％，NiTi基体相为B2相结构的NiTi金属间化合物，WC硬质相颗粒的晶粒尺寸为<100nm的纳米级或者<1μm的亚微米级，在NiTi金属间化合物基体相中呈均匀弥散分布。
2.根据权利要求1所述的一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料，其特征在于：所述复合涂层粉末材料的粉末粒度为5-100微米。
3.权利要求2所述的一种兼具抗磨损和空蚀损伤的涂层材料的制备方法，其特征在于：将占复合涂层粉末材料的1-50wt％的纳米或亚微米级WC颗粒加入B2相结构的NiTi金属间化合物粉末或熔体中，通过球磨工艺进行机械合金化或通过雾化造粒技术进行制备，然后将获得的粉末进行分筛，获得小于50微米的粉末用于超音速火焰喷涂或冷喷涂，或者筛分成40-100微米粒径的粉末用于等离子喷涂。
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