CN105648296A - 一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺 - Google Patents

一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末，其成分组成为金属粘结剂包覆碳化钨粉末：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；以该复合粉末为喷涂原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料，形成抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层；或采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂该原料后，再经高焓等离子重熔成型，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。本发明采用在碳化钨基金属陶瓷涂层中掺杂铼元素，形成W-Re等相，可显著提高碳化钨基金属陶瓷涂层的抗高温性能，使其工作温度提高200-300℃，从而解决转轮退火处理过程中的涂层失效问题。

Description

一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺
技术领域
本发明属于材料表面强化技术领域，涉及一种碳化钨基金属陶瓷粉末及涂层，尤其涉及一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺。
背景技术
水轮机、水泵的转轮在使用过程中不同程度地遭受各种沙石冲蚀和汽蚀破坏，以及水环境中的腐蚀破坏等，引起水力机械部件功能的失效，进而使得转轮的使用效率大大降低，导致机械频繁大修，因此造成大量资源和能源的浪费和经济损失。热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层具有优良的抗冲蚀和耐腐蚀性能，采用热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层对基材表面进行防护，可以有效保护基材表面，延长转轮使用寿命。转轮的基材主要有0Cr13Ni4Mo和0Cr13Ni5Mo等不锈钢，焊接后需要经过600-650℃退火保温3小时，或者850℃退火保温2小时，以消除焊接应力。但是碳化钨金属陶瓷涂层在高温下退火后性能大幅下降，甚至直接剥落(如在800℃退火1小时，发现全部剥落)，无法起到对基材的保护效作用。碳化钨金属陶瓷涂层中的WC相的抗高温氧化性能差，在高温环境中易氧化分解，生成W2C、Co3W3C等脱碳产物。这些相的脆性差，严重影响了涂层的抗冲蚀、抗磨损性能。因此，目前的碳化钨金属陶瓷涂层的使用温度一般在480℃以下，超过此温度涂层就不能使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺，以解决现有碳化钨基金属陶瓷涂层材料无法满足实际工程使用中较高工作温度要求的问题，提高设备的高温耐磨性能。
本发明是这样实现的：
一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末，其成分组成为金属粘结剂包覆碳化钨：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；所述的金属粘结剂包覆碳化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC颗粒的尺寸为1-10μm或者40-100nm；所述的纳米Re粉纯度不低于99.99％，颗粒度为40-60nm；所述的含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末的颗粒尺度为5-45μm。
以上述的含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末为原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料，直接形成抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层；或采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂该原料后，再经高焓等离子重熔成型，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。
其具体的制备工艺如下：
1)首先向金属粘结剂包覆碳化钨粉末中添加5～10wt％的纯Re粉末，在球磨机内混合15～20小时，使粉末充分均匀化；此时混合粉末的颗粒尺度为5-45μm。
2)将上述粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为80～100℃，烘干时间为1～2小时，得到含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末；
3)用丙酮或酒精对中碳钢或合金钢基材表面进行清洗，除去其表面油渍污物并放于保温箱内35～45℃烘干；采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化，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0.3～0.5MPa，喷砂距离为120～150mm，喷砂角度为70°～85°；
4)以步骤2)的复合粉末为原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对基体表面进行喷涂，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层；或者采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对基体表面进行喷涂后，再进行高焓等离子重熔处理，得到抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。
上述制备工艺中，所述的金属粘结剂包覆碳化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC颗粒的尺寸为1-10μm或者40-100nm；所述的纯Re粉末的纯度不低于99.99％，颗粒度为40-60nm。
本发明获得的复合涂层的孔隙率＜0.5％；涂层的显微硬度＞1300HV0.2；650～850℃下退火处理后，复合涂层的结合强度度达75MPa以上，复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的0.08-0.16倍。经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。
本发明通过控制碳化钨粉末颗粒的尺寸，可有效提高涂层的强度和硬度性能；此外，通过采用高比例的纳米铼，实现了碳化钨基金属陶瓷复合涂层高温环境下的材料表面抗磨损强化，大量实验研究表明，铼的颗粒尺度及其添加量对复合涂层的高温性能有着极大影响，当其添加量在1-3wt％或更低时对涂层的高温耐磨性并没有发现效果，其涂层与普通碳化钨基金属陶瓷涂层的磨蚀失重几乎相当，提高其添加量至3-5wt％时，涂层的高温耐磨性及结合性能略有提高，然而尚不能满足使用需求，只有当纳米铼的添加量达到5-10wt％，形成W-Re等相，不仅在一定程度上提高了复合涂层的强度和塑性，也显著提高碳化钨金属陶瓷涂层的抗高温性能，使其再结晶起始温度提高了约350-450℃，使其工作温度提高200-300℃，从而可以有效解决转轮退火处理过程中的涂层失效问题。
本发明的有益效果是：本发明的含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层的使用温度相对普通碳化钨基金属陶瓷涂层提高了200-300℃，大大提高了碳化钨基金属陶瓷涂层的的抗高温性能，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在需要先喷后焊接之后再高温退火的水轮机、水泵等抗磨蚀领域应用推广。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做进一步说明。
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28～33L/h，煤油压力为1.6～1.8MPa，氧气流量为850～920L/min，氧气压力为2.0～2.2MPa,送粉速率为60～80g/min,氮气流量为12～14L/min,氮气压力为1.0～1.4MPa，喷涂距离为380mm～410mm。
本发明实施例中采用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280～380SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为110～140SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为90～130SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为65～85g/min，喷涂距离130～180mm。
本发明实施例中采用空气动力喷砂方法对喷涂基体表面进行除锈和毛化，喷砂处理选用30～50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3～0.5MPa，喷砂距离为120～150mm，喷砂角度为70°～85°.
本发明实施例中采用金属粘结剂包覆碳化钨粉末和Re粉末以一定的质量百分比进行掺杂作为喷涂材料，其中金属粘结剂包覆碳化钨粉末粒径为5～45μm,含量为90wt％～95wt％，Re粉末含量为5～10wt％。所述的金属粘结剂包覆碳化钨粉末为所述的金属粘结剂包覆碳化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr、WC-10Co-4Cr-1Ce等；本发明实施例中所用的Re粉末纯度为99.999％。
本发明实施例中喷涂基体采用0Cr13Ni5Mo不锈钢。
实施例1
在粉末粒度为15～45μmWC-10Co-4Cr粉末中掺杂5wt％的纯Re粉末，并将粉末在球磨机内混合16小时，实现复合粉末的均匀化，混合粉末粒度为5～45μm。
将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为1小时，得到复合粉末。
用丙酮将基材表面清洗干净，并放于保温箱内35℃烘干，除去其表面油渍污物。喷砂处理采用上述方式。
采用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860L/min，氧气压力为2MPa,送粉速率为65g/min,氮气流量为12L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为390mm，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。
该涂层厚度为220μm，涂层的孔隙率为0.31％；涂层的平均显微硬度为1320HV0.2；850℃下退火处理后，复合涂层的结合强度为80MPa，复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的0.10倍。经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。
对比例1
调整纯Re粉末的掺入量为1wt％，其余步骤与实施例1中步骤均相同，制得碳化钨基复合涂层，该涂层厚度约为225μm，涂层的孔隙率为0.41％；涂层的平均显微硬度为1250HV0.2；850℃下退火处理后，涂层完全脱落。
实施例2
在粉末粒度为5～15μmWC-9Co-5Cr-1Ni粉末中掺杂6.5wt％的纯Re粉末，在球磨机内混合18小时，实现复合配方粉末的均匀化，混合粉末粒度为5～45μm。
将上述粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为2小时，得到复合粉末。
用酒精将基材表面清洗干净，并放于保温箱内35℃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90kW，氩气流量为290SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为110SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为90SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为70g/min，喷涂距离130mm，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。
本例制得的涂层厚度为230μm，涂层的孔隙率为0.49％；涂层的平均显微硬度为1315HV0.2；800℃下退火处理后，复合涂层的结合强度为81MPa以上；复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的0.11倍。经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。
对比例2
调整纯Re粉末的掺入量为3.5wt％，其余步骤与实施例2中步骤均相同，制得碳化钨基复合涂层，该涂层厚度约为220μm，涂层的孔隙率为0.44％；涂层的平均显微硬度为1285HV0.2；800℃下退火处理后，复合涂层约占面积65％脱落，剩余未脱落部分结合力不超过25MPa。
实施例3
在粉末粒度为15～45μmWC-10Co-4Cr-1Ce粉末中掺杂7.8wt％的纯Re粉末，在球磨机内混合20小时，实现复合配方粉末的均匀化，混合粉末粒度为5～45μm。
将上述粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为85℃，烘干时间为2小时，得到含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末。
用酒精将基材表面清洗干净，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。
采用超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为30L/h，煤油压力为1.8MPa，氧气流量为890L/min，氧气压力为2.1MPa,送粉速率为78g/min，氮气流量为14L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为400mm。随后采用高焓等离子喷涂对涂层进行重熔，喷枪功率为96kW，氩气流量为350SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为100SCFH(立方英尺/小时)，喷涂距离130mm，在基材表面获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。
本例中涂层厚度为230μm，涂层的孔隙率为0.33％；涂层的平均显微硬度为1375HV0.2；650℃下退火处理后，复合涂层的结合强度为88MPa，复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的0.09倍。经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。
对比例3
调整纯Re粉末的掺入量为2.0wt％，其余步骤与实施例3中步骤均相同，制得碳化钨基复合涂层，该涂层厚度约为210μm，涂层的孔隙率为0.35％；涂层的平均显微硬度为1300HV0.2；650℃下退火处理后，复合涂层约占面积45％脱落，剩余未脱落部分结合力不超过31MPa。

Claims (7)

1.一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末，其特征在于，其成分组成为金属粘结剂包覆碳化钨：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；所述的金属粘结剂包覆碳化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC颗粒的尺寸为1-10μm或者40-100nm；所述的Re粉纯度不低于99.99％，颗粒度为40-60nm；所述的含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末的颗粒尺度为5-45μm。
2.一种抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层，其特征在于，是以权利要求1所述的复合粉末为原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料直接形成的涂层；或采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂该原料后，再经高焓等离子重熔获得的涂层，所述的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层厚度为200～300μm。
3.如权利要求2所述的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)将金属粘结剂包覆碳化钨粉末中添加5～10wt％的纯Re粉末，在球磨机内混合15～20小时，使粉末充分均匀化；
2)将上述混合后的粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为80～100℃，烘干时间为1～2小时，得到复合粉末；
3)用丙酮或酒精对中碳钢或合金钢基材表面进行清洗，除去其表面油渍污物，放于保温箱内35～45℃烘干；再采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化，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0.3～0.5MPa，喷砂距离为120～150mm，喷砂角度为70°～85°；
4)以步骤2)的复合粉末为原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对基体表面进行喷涂，控制涂层厚度为200～300μm，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层；或者采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对基体表面进行喷涂后，再进行高焓等离子重熔处理，控制涂层厚度为200～300μm，得到抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。
4.如权利要求3所述的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征在于，所述的金属粘结剂包覆碳化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce。
5.如权利要求4所述的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征在于，所述的金属粘结剂包覆碳化钨中WC颗粒的尺寸为1-10μm或者40-100nm。
6.如权利要求3所述的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征在于，所述的金属粘结剂包覆碳化钨粉末的粒度为5-45μm。
7.如权利要求3所述的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征在于，所述的Re粉纯度不低于99.99％，颗粒度为40-60nm。
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