CN105463359A - 耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬复合粉末、涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬复合粉末和由该复合粉末制得的耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层，该复合粉末以重量百分比计，各组成成分为Cr₃C₂：65~85%、NiCr：10~25%、Nb：1~5%、Ta：1~5%。上述涂层由所述的复合粉末经超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂制得，或者经超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂后再结合高焓等离子重熔技术制得，该涂层在显微硬度、结合强度、抗腐蚀性能和抗汽蚀性能方面有了很大的提高，且生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在水力机械过流部件、压缩机螺杆、汽轮机涡轮叶片等领域大规模应用。

Description

耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬复合粉末、涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镍铬-碳化铬复合粉末及其涂层，尤其涉及一种抗高温、抗磨损、抗腐蚀、抗汽蚀的含Nb、Ta的镍铬-碳化铬复合粉末、涂层及其制备方法。

背景技术

磨损、腐蚀、汽蚀等是造成机械工件表面失效的主要原因，进而导致许多机械零部件过早报废，造成巨大的经济损失和资源浪费。为了提高机械工件表面的抗腐蚀、抗磨损、抗汽蚀能力，目前主要采用表面处理技术对其表面进行强化，如活塞杆合金钢表面电镀硬铬、铝合金材料表面阳极氧化、水轮机不锈钢表面涂覆环氧金刚砂等。然而电镀硬铬废水中的六价铬严重污染环境，对植物和人类威胁很大；阳极氧化一定程度上能改善工件表面的耐腐蚀性能，但其涂层较薄，抗抗磨损性能有待进一步提高，主要适用于有色金属，且工艺产生的废液也会带来较大的环境污染；涂覆环氧金刚砂涂层虽能起到一定的抗汽蚀效果，但由于涂层与基体结合力较差，容易造成大面积脱落，使用寿命很短，往往只有2-3个月，影响设备正常使用。镍铬-碳化铬是由金属合金粘结相NiCr与陶瓷硬质相Cr₃C₂以不同的比例组成的金属陶瓷，利用超音速火焰喷涂、高焓等离子喷涂等技术制备的镍铬-碳化铬具有硬度高、耐磨性好、结合力高的特点，同时有具有优良的抗高温氧化性能，是重要的高温耐磨涂层材料，用在焊接结构件上可以适应去应力退火的高温。但是相对于电镀硬铬、电镀NiP、阳极氧化等，镍铬-碳化铬涂层的抗腐蚀性能相对较弱，特别是在一些强腐蚀介质中，如氯离子、硝酸根离子等环境中，其抗腐蚀性能较弱，无法适应较高使用要求的需要。同时在紊流、湍流的水环境中，镍铬-碳化铬的抗汽蚀保护效果较差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬复合粉末、涂层及其制备方法，该涂层通过向其中添加Nb、Ta元素提高镍铬-碳化铬涂层材料的抗腐蚀性和抗汽蚀性能，以满足较高要求的实际工程使用需要。

本发明的镍铬-碳化铬复合粉末，以质量百分比计，各组成成分为Cr₃C₂：65~85%、NiCr：10~25%、Nb：1~5%、Ta：1~5%。

本发明的耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层，是由上述的复合粉末经超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂制得，或者经超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂后再结合高焓等离子重熔技术制得，所述涂层的厚度为100-300μm，涂层的孔隙率＜2%；涂层的显微硬度＞1000HV_0.2；涂层与基体的结合强度≥60MPa。

上述耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）选用粉末粒度5~45μm的Cr₃C₂陶瓷粉末、粒度为5~45μm的NiCr合金粉末、粒度为10~55μm纯Nb金属粉末及粒度为10~55μm的纯Ta粉末，所述的Nb金属粉末纯度不低于99.95%，所述的Ta金属粉末纯度不低于99.95%；将上述粉末按照以下配比称重：Cr₃C₂：65~85wt%、NiCr：10~25wt%、Nb：1~5wt%、Ta：1~5wt%，并将粉末在球磨机内混合10~15小时，实现复合粉末的均匀化；

2）将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60~100℃，烘干时间为2~4小时；

3）用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内35~45℃烘干，除去其表面油渍污物：

4）采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基材表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用30~50目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3~0.6MPa，喷砂距离100~150mm，喷砂角度为65°~90°；

5）采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对喷涂基材表面喷涂步骤2）的复合粉末，在喷涂基材表面获得耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层；或者采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对喷涂基材表面喷涂步骤2）的复合粉末，获得复合涂层，再对复合涂层进行高焓等离子重熔处理，在喷涂基材表面获得耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层。

本发明通过向碳化铬、镍铬粉末中加入铌、钽元素，由于Nb、Ta元素同属于VB族元素，铌化学性质非常稳定，常温下表面形成致密氧化膜，阻止进一步氧化，因而具有优良的耐腐蚀性能；钽有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应，且其热膨胀系数很小，这就使其在温度变化的较大的条件仍能与陶瓷材料保持很好的协调性和结合强度；增加Nb、Ta，可以显著提高镍铬-碳化铬的抗腐蚀、抗汽蚀性能。同时，Nb、Ta对镍铬合金具有良好的固溶强化作用，可以对合金起到强化作用，且Nb、Ta为高熔点金属，可提高材料的高温强度。本发明获得的含Nb、Ta的镍铬-碳化铬涂层厚度为100-300μm，涂层的孔隙率＜2%；涂层的显微硬度＞1100HV_0.2；涂层的拉伸强度≥70MPa；盐雾实验呈现涂层72小时未见明显腐蚀行为；涂层的汽蚀率低。

本发明的含Nb、Ta的镍铬-碳化铬抗腐蚀、抗汽蚀复合涂层在显微硬度、结合强度、抗腐蚀性能和抗汽蚀性能方面有了很大的提高，且生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在水力机械过流部件、压缩机螺杆、连铸连轧棍、汽轮机涡轮叶片等领域大规模应用。

以下结合实例对本发明做进一步说明。

具体实施方式

本发明实施例中采用的超音速火焰喷涂设备为HV-50型超音速火焰喷涂设备，煤油流量为26～32L/h，煤油压力为1.5～1.7MPa，氧气流量为820～900L/min，氧气压力为1.8～2.1MPa,氮气流量为8～12L/min,氮气压力为0.8～1.2MPa，喷涂距离为360mm～395mm。

本发明实施例中采用的高焓等离子喷涂设备为100HE高焓等离子喷涂设备，喷枪功率为80~100kW，氩气流量为200~350SCFH(立方英尺/小时），氮气流量为90~120SCFH(立方英尺/小时），氢气流量为60~120SCFH(立方英尺/小时），送分速率为45~65g/min，喷涂距离100~150mm。

本发明实施例中采用的空气动力喷砂方法对喷涂基体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用30~50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3~0.6MPa，喷砂距离为100~150mm，喷砂角度为65°~90°。

本发明实施例中采用在粉末粒度为5~45μm的Cr₃C₂陶瓷粉末、粒度为5~45μm的NiCr合金粉末中添加粒度为10~55μm纯Nb金属粉末和粒度为10~55μm的纯Ta粉末，其中Cr₃C₂含量在65~85wt%，NiCr含量在10~25wt%，Nb含量在1~5wt%，Ta含量在1~5wt%。并将粉末在球磨机内混合10~15小时，实现复合粉末的均匀化。

本发明实施例中喷涂基体采用0Cr13Ni5Mo不锈钢或ZG06Cr13Ni4Mo。

实施例1

采用粉末粒度5~45μm的Cr₃C₂陶瓷粉末、粒度为5~45μm的NiCr合金粉末、粒度为10~55μm纯Nb金属粉末及粒度为10~55μm的纯Ta粉末作为喷涂材料，其中Cr₃C₂：70wt%、NiCr：23wt%、Nb：3.5wt%、Ta：3.5wt%。并将粉末在球磨机内混合12小时，实现复合粉末的均匀化。

将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为75℃，烘干时间为3小时。

用丙酮将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内40℃烘干，除去其表面油渍污物。采用上文所述的空气动力喷砂方法对其进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为27L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为2MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为375mm。

制得涂层厚度为200μm，涂层的孔隙率为0.55%；涂层的平均显微硬度为1166HV_0.2；涂层与基体的结合强度76MPa；盐雾实验72小时未见明显锈蚀点；涂层的汽蚀率低于基体材料。

实施例2

采用粉末粒度5~45μm的Cr₃C₂陶瓷粉末、粒度为5~45μm的NiCr合金粉末、粒度为10~55μm纯Nb金属粉末及粒度为10~55μm的纯Ta粉末作为喷涂材料，其中Cr₃C₂：75wt%、NiCr：20wt%、Nb：1.5wt%、Ta：3.5wt%。并将粉末在球磨机内混合15小时，实现复合粉末的均匀化。

将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为85℃，烘干时间为2.5小时。

用酒精将ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内45℃烘干，除去其表面油渍污物。喷砂处理采用上述方式。

采用高焓等离子喷涂本例中的复合粉末，喷枪功率为85kW，氩气流量为250SCFH(立方英尺/小时），氮气流量为100SCFH(立方英尺/小时），氢气流量为85SCFH(立方英尺/小时），送分速率为45g/min，喷涂距离110mm。

制得的涂层厚度为220μm，涂层的孔隙率为0.70%；涂层的平均显微硬度为1105HV0.2；涂层与基体的结合强度72MPa；盐雾实验72小时未见明显锈蚀点；涂层的汽蚀率低于基体材料。

实施例3

采用粉末粒度5~45μm的Cr₃C₂陶瓷粉末、粒度为5~45μm的NiCr合金粉末、粒度为10~55μm纯Nb金属粉末及粒度为10~55μm的纯Ta粉末作为喷涂材料，其中Cr₃C₂：85wt%、NiCr：12wt%、Nb：2wt%、Ta：1wt%。并将粉末在球磨机内混合14小时，实现复合粉末的均匀化。

将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为90℃，烘干时间为2小时。

用酒精将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内50℃烘干，除去其表面油渍污物。喷砂处理采用上述方式。

采用的超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为28L/h，煤油压力为1.7MPa，氧气流量为880L/min，氧气压力为2.1MPa,氮气流量为12L/min,氮气压力为1.1MPa，喷涂距离为385mm。随后采用高焓等离子喷涂对涂层进行重熔，喷枪功率为95kW，氩气流量为320SCFH(立方英尺/小时），氮气流量为110SCFH(立方英尺/小时），氢气流量为100SCFH(立方英尺/小时），喷涂距离100mm。

制得的涂层厚度为230μm，涂层的孔隙率为0.13%；涂层的平均显微硬度为1011HV0.2；涂层与基体结合强度95MPa；盐雾实验72小时未见明显锈蚀点；涂层的汽蚀率低于基体。

Claims (3)

1.一种镍铬-碳化铬复合粉末，其特征在于，以重量百分比计，各组成成分为Cr₃C₂：65~85%、NiCr：10~25%、Nb：1~5%、Ta：1~5%。

2.一种耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层，其特征在于，该涂层由如权利要求1所述的复合粉末制得，所述涂层的厚度为100-300μm，涂层的孔隙率＜2%；涂层的显微硬度＞1000HV_0.2；涂层的拉伸强度≥60MPa。

3.制备权利要求2所述的耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）选用粉末粒度5~45μm的Cr₃C₂陶瓷粉末、粒度为5~45μm的NiCr合金粉末、粒度为10~55μm纯Nb金属粉末及粒度为10~55μm的纯Ta粉末，所述的Nb金属粉末纯度不低于99.95%，所述的Ta金属粉末纯度不低于99.95%；将上述粉末按照以下配比称重：Cr₃C₂：65~85wt%、NiCr：10~25wt%、Nb：1~5wt%、Ta：1~5wt%，并将粉末在球磨机内混合10~15小时，实现复合粉末的均匀化；

2）将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100~120℃，烘干时间为2~4小时；

3）用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内35~45℃烘干，除去其表面油渍污物；

4）采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基材表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用30~50目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3~0.6MPa，喷砂距离100~150mm，喷砂角度为65°~90°；

5）采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对喷涂基材表面喷涂步骤2）的复合粉末，在喷涂基材表面获得耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层；或者采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对喷涂基材表面喷涂步骤2）的复合粉末，获得复合涂层，再对复合涂层进行高焓等离子重熔处理，在喷涂基材表面获得耐高温耐磨损抗腐蚀抗汽蚀的镍铬-碳化铬涂层。