CN104862571A - 多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热喷涂粉末技术，特别是涉及一种具有多尺度微纳米结构WC-CoCr复合粉末，包括以下组分以及含量：85％～85.5％的多尺度WC、14％的金属粘结相和0.5％～1.0％的添加剂。本发明的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末制备的涂层将具有高耐腐性、高强度、高硬度、高韧性、低孔隙率、低成本及优良的抗空蚀和抗冲蚀性能。它可广泛应用于船舶螺旋桨、水泵、阀门、舵叶、水轮机叶轮等流体机械过流部件的抗空蚀涂层和冶金、电力等领域的各种风机叶片的抗冲蚀涂层。
Description
技术领域
本发明涉及热喷涂粉末技术，特别是涉及一种具有多尺度微纳米结构WC-CoCr复合粉末。
背景技术
在热喷涂领域，由WC-Co(Cr)金属陶瓷复合粉末制备的涂层由高强度、高硬度的WC和韧性好的Co或CoCr金属组成，具有高硬度和高耐磨性，目前已得到广泛应用的主要有WC-Co和WC-CoCr两类。与WC-Co涂层相比，WC-CoCr涂层具有更高强度、更优良抗腐蚀性能及耐磨性能。
WC-CoCr涂层中WC颗粒尺寸的变化会显著影响涂层的组织结构和性能。随着WC颗粒尺寸的减小，涂层的力学性能和耐磨性会提高。纳米WC材料可以同时提高材料的硬度和韧性，纳米WC-CoCr材料的小尺寸效应及其表面效应赋予了纳米WC-CoCr涂层以独特的抗冲蚀磨损、滑动磨损和空蚀性能。由于纳米结构WC颗粒尺寸细小、比表面积大、活性高，在喷涂过程中，具有晶粒长大、分解及脱碳的倾向，因此要求严格选择涂层制备方法和优化的工艺参数。为了抑制纳米WC材料的大量脱碳及降低纳米涂层的制备成本，国内外已开发出由一定比例的纳米WC颗粒和微米WC颗粒组成的双峰WC-CoCr粉末。与普通微米涂层相比，双峰涂层具有致密的组织结构，优良的耐磨粒磨损、滑动磨损和抗空蚀性能。但双峰粉末中纳米WC颗粒的比例较大，高比例的纳米颗粒在喷涂过程中依然会产生严重的WC脱碳现象。并且，纳米WC的制备成本高昂，不利于涂层大范围的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种新型多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其能够提高热喷涂涂层的硬度和韧性等相关力学性能，降低涂层的孔隙率，提高涂层的耐腐性和耐磨性，并能减少粉末中纳米WC的用量，降低涂层的制备成本。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其包括以下组分以及含量：85％～85.5％的多尺度WC、14％的金属粘结相和0.5％～1.0％的添加剂。
按上述方案，所述的多尺度WC具有多尺度微纳米结构，其由纳米级WC、亚微米级WC和微米级WC组成，其尺度分别为20nm～100nm、0.2μm～0.9μm和1.0μm～5.0μm。
按上述方案，所述的纳米级WC、亚微米级WC和微米级WC在多尺度WC中的质量比例分别为10％～20％、20％～30％和50％～70％。
按上述方案，所述的金属粘结相为CoCr合金。
按上述方案，所述的添加剂为NbC或VC与TiC。
按上述方案，复合粉末的粒度范围为5μm～55μm。
本发明的粉末结构如附图1所示，每一球形颗粒内均匀分布着微米级WC、亚微米级WC与纳米级WC颗粒及微量添加剂，并通过金属粘结相CoCr粘合在一起。在超音速火焰(HVOF)喷涂后形成主要由不同尺寸WC和CoCr粘结相组成的低孔隙率和高强度的涂层，如附图2所示。本发明的复合粉末采用团聚烧结法制备，其主要工艺过程包括：混料球磨、喷雾造粒、烧结和破碎分级等。最终分级过后的复合粉末的粒度范围为5μm～55μm，适用于不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂。
采用多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末制备的涂层具有仿混凝土结构，即涂层中亚微米及微米WC颗粒分别类似于混凝土中的砂粒及碎石，CoCr合金及纳米WC颗粒类似于水泥。在涂层形成过程中，首先半融化的亚微米WC颗粒填充在由表面微熔的微米WC颗粒形成的空隙之中，而充分融化的CoCr合金及纳米WC颗粒将填充亚微米和微米WC颗粒形成的空隙，最终形成了致密的多尺度仿混凝土结构的WC-CoCr涂层。在涂层形成过程中微米级WC对涂层起到了“夯实”作用，进一步提高了涂层的致密度，降低了涂层的孔隙率。这种多尺度涂层孔隙率极低，由于纳米结构的存在，细小粒子熔化更充分，粒子间结合更牢固，涂层组织更细小致密，由于涂层中具有高硬度的纳米级细微颗粒，对CoCr合金起到了弥散强化作用，这使涂层硬度更高。另一方面，涂层中不同尺度颗粒间结合面多，晶粒分布均匀，存在大量的细晶粒边界，由此提高了涂层的韧性及塑性，起到缓冲应力的作用，这使疲劳裂纹难以扩展，因而涂层可以表现出了更优秀的抗空蚀和抗冲蚀性能。
由于在多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末设计中，降低了纳米WC颗粒的比例(＜20％)，不仅能降低纳米WC在喷涂过程中的脱碳程度，进一步增加涂层的开裂韧性，而且能大幅度降低WC-CoCr涂层的制备成本，有利于涂层大范围的推广应用。
本发明的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末制备的涂层将具有高耐腐性、高强度、高硬度、高韧性、低孔隙率、低成本及优良的抗空蚀和抗冲蚀性能。它可广泛应用于船舶螺旋桨、水泵、阀门、舵叶、水轮机叶轮等流体机械过流部件的抗空蚀涂层和冶金、电力等领域的各种风机叶片的抗冲蚀涂层。
附图说明
图1本发明的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末的结构图；
图2本发明的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末采用超音速火焰喷涂后形成的涂层结构示意图；涂层主要由受火焰加热而表面微熔的微米WC、半熔化状态的亚微米WC、熔化状态的纳米级WC和CoCr合金在基体表面凝固而成。
具体实施方案
为了更好的理解本发明，下面结合具体的实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
实施例1：
以200kg喷涂粉为例，多尺度微纳米WC-CoCr复合粉末设计时的原料配比见表1。
表1
首先按表1中纳米WC、亚微米WC、微米WC、CoCr合金粉与NbC的规格与质量进行配料，然后添加适量抗氧化剂、粘结剂和去离子水球磨24小时。球磨产物过筛后再进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物。最后进行烧结处理，烧结产物依次进行破碎和分级，产品用途为不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂用粉末，粉末粒度控制为5.0μm～55μm，松装密度为4.5～6.0g/cm3。如图1，单颗粉末主要由纳米级WC、亚微米级WC和微米级WC以及CoCr合金粘结相组成；
由纳米、亚微米及微米WC-CoCr复合粉末制备的涂层具有仿混凝土结构，如图2所示，即涂层中亚微米及微米WC颗粒分别类似于混凝土中的砂粒及碎石，CoCr合金及纳米WC颗粒类似于水泥。这种多尺度涂层具有高强度、高硬度、高韧性、低孔隙率，因此耐腐性高及耐磨性优良。在多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末的设计中，纳米WC颗粒的比例占涂层中WC不超过20％，这不仅能降低纳米WC在喷涂过程中的脱碳程度，而且能大幅度降低WC-CoCr涂层的制备成本，有利于涂层大范围的推广应用。
实施例2：
以200kg喷涂粉为例，多尺度微纳米WC-CoCr复合粉末设计时的原料配比见表2。
表2
首先按表2中纳米WC、亚微米WC、微米WC、CoCr合金粉与NbC的规格与质量进行配料，然后添加适量抗氧化剂、粘结剂和去离子水球磨24小时。球磨产物过筛后再进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物。最后进行烧结处理，烧结产物依次进行破碎和分级，产品用途为不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂用粉末，粉末粒度控制为5.0μm～55μm，松装密度为4.5～6.0g/cm3。
实施例3：
以200kg喷涂粉为例，多尺度微纳米WC-CoCr复合粉末设计时的原料配比见表3。
表3
首先按表3中纳米WC、亚微米WC、微米WC、CoCr合金粉与NbC的规格与质量进行配料，然后添加适量抗氧化剂、粘结剂和去离子水球磨24小时。球磨产物过筛后再进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物。最后进行烧结处理，烧结产物依次进行破碎和分级，产品用途为不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂用粉末，粉末粒度控制为5.0μm～55μm，松装密度为4.5～6.0g/cm3。
实施例4：
以200kg喷涂粉为例，多尺度微纳米WC-CoCr复合粉末设计时的原料配比见表4。
表4
首先按表4中纳米WC、亚微米WC、微米WC、CoCr合金粉与NbC的规格与质量进行配料，然后添加适量抗氧化剂、粘结剂和去离子水球磨24小时。球磨产物过筛后再进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物。最后进行烧结处理，烧结产物依次进行破碎和分级，产品用途为不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂用粉末，粉末粒度控制为5.0μm～55μm，松装密度为4.5～6.0g/cm3。
实施例5：
以200kg喷涂粉为例，多尺度微纳米WC-CoCr复合粉末设计时的原料配比见表5。
表5
首先按表5中纳米WC、亚微米WC、微米WC、CoCr合金粉与NbC的规格与质量进行配料，然后添加适量抗氧化剂、粘结剂和去离子水球磨24小时。球磨产物过筛后再进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物。最后进行烧结处理，烧结产物依次进行破碎和分级，产品用途为不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂用粉末，粉末粒度控制为5.0μm～55μm，松装密度为4.5～6.0g/cm3。
实施例6：
以200kg喷涂粉为例，多尺度微纳米WC-CoCr复合粉末设计时的原料配比见表6。
表6
首先按表6中纳米WC、亚微米WC、微米WC、CoCr合金粉与NbC的规格与质量进行配料，然后添加适量抗氧化剂、粘结剂和去离子水球磨24小时。球磨产物过筛后再进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物。最后进行烧结处理，烧结产物依次进行破碎和分级，产品用途为不同的超音速火焰喷涂和冷喷涂用粉末，粉末粒度控制为5.0μm～55μm，松装密度为4.5～6.0g/cm3。
Claims (6)
1.多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其包括以下组分以及含量：85％～85.5％的多尺度WC、14％的金属粘结相和0.5％～1.0％的添加剂。
2.根据权利要求1所述的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其特征在于所述的多尺度WC具有多尺度微纳米结构，其由纳米级WC、亚微米级WC和微米级WC组成，其尺度分别为20nm～100nm、0.2μm～0.9μm和1.0μm～5.0μm。
3.根据权利要求2所述的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其特征在于所述的纳米级WC、亚微米级WC和微米级WC在多尺度WC中的质量比例分别为10％～20％、20％～30％和50％～70％。
4.根据权利要求1所述的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其特征在于所述的金属粘结相为CoCr合金。
5.根据权利要求1所述的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其特征在于所述的添加剂为NbC、VC或TiC。
6.根据权利要求1所述的多尺度微纳米结构WC-CoCr金属陶瓷复合粉末，其特征在于复合粉末的粒度范围为5μm～55μm。
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