CN106825988A - 一种等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基粉末。该粉末包含Cr、Mo、Si、Al、Ta、氧化钇、氧化铈，粉末各组分质量百分数如下：Cr：12~14%；Mo：20~24%；Si：2.5~3.2%；Al：3~6%；Ta：1~3%；氧化钇：0.3~0.8%；氧化铈：0.1~0.2%；余量为Co，原始粉末的粒径范围为200‑350目。本发明通过对Cr、Mo、Si、Al以及氧化钇、氧化铈等稀土氧化物进行合理的成分配比，在保证钴基合金强度、耐磨性的同时又能保持其高的抗氧化、抗硫化能力。
Description
技术领域
本发明属于表面工程、冶金领域，涉及一种用于等离子弧堆焊钴基合金粉末，特别是涉及一种等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损涂层钴基合金粉末。
背景技术
在能源化工及热电厂高温及腐蚀介质工况下，零部件表面磨损和腐蚀其的主要形式。目前采用表面工程技术如表面改性、表面堆焊等技术在基体表面沉积一层几微米至几毫米的涂层，从而赋予基体材料优异的耐热、耐蚀、耐磨和抗高温氧化等性能。采用热喷涂、埋弧堆焊、激光熔敷等工艺获得的涂层存在一些质量问题，如:涂层中存在致密度低、气孔、氧化物夹杂等缺陷；焊接热输入不易控制，导致涂层成分稀释率过大，涂层耐磨耐蚀性能下降；涂层厚度小和基体结合强度低、制备过程复杂、生产效率低等问题。采用等离子弧堆焊技术制造高温耐磨耐蚀涂层，可以有效的解决上述问题，并拥有生产工艺条件易调节、操作简单、易实现自动化生产，并有效的降低生产成本。
等离子弧堆焊技术是表面工程及再制造领域的一个分支，自上世纪六十年代人们在掌握获得大功率、长寿命的等离子体发生器后，等离子电弧作为一种具有较高能量密度、电弧挺度的新型热源广泛地用在表面熔敷领域。等离子弧堆焊采用联合弧或转移弧熔化零件表面耐磨损耐腐蚀粉末，对零件表面进行改性，使零件表面获得优异的性能。其具有高效、低稀释率、自动化程度高、堆焊用材料范围广等优点，在国内外已获得迅速发展和广泛使用。
钴基合金在高温腐蚀介质工况仍具有优异的耐磨、耐腐蚀、抗氧化等性能。特别是其红硬性好，抗摩擦磨损和腐蚀磨损性能好，可以在恶劣的环境下使用。常用的钴基合金粉末为Co-Cr-W系和Co-Cr-Mo系，堆焊这些合金粉末获得熔敷层，虽然可以在一定程度上改善基体金属耐热、耐磨损能，但其高温抗腐蚀能仍待提高，在Na2SO4-K2SO4混合盐900℃保温200h后，涂层的发生严重的硫化其内硫化物深度可达55um并生成大量的氧化物。有研究表明Co-25Cr-10Ni-4Al-5Ta-0.5Y具有很好的耐高温腐蚀性能，但是其显微硬度最佳仅为650～700HV0.5，耐磨损性能不足。堆焊层的耐磨损和耐腐蚀性不足均使涂层的使用持久性能降低，从而使粉末的使用范围受到了一定的局限性。
发明内容
本发明为了解决上述现有的钴基合金存在的不足，提供一种等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基粉末。该粉末通过在合金粉末中加入Al和稀土元素，并采用机械合金化方法获得一种具有良好的高温耐磨损、耐腐蚀性能且性能稳定的等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基合金粉末。本发明采用合理的粉末配比和行星式球磨机机械合金化方法制得成分混合均匀、粒度适中、活性较高的钴基合金粉末，较雾化制粉简单易行、节约成本，复合国家节能减排的环保理念。
本发明的技术方案为：
一种等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基粉末，包含Cr、Mo、Si、Al、Ta、氧化钇、氧化铈，粉末各组分质量百分数如下：Cr：12～14％；Mo：20～24％；Si：2.5～3.2％；Al：3～6％；Ta：1～3％；氧化钇：0.3～0.8％；氧化铈：0.1～0.2％；余量为Co，原始粉末的粒径范围为200～350目。
所述的耐高温腐蚀及磨损钴基粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)配料：将初始粉末按照以上比例进行配料，初始粉末为99.99wt％的钴粉，99.99wt％的铬粉，99.99wt％钼粉，99.95wt％硅粉，99.99wt％铝粉，99.95wt％钽粉，99.95wt％氧化钇，99.95wt％氧化铈；
2)球墨：采用行星式球磨机，将步骤1)配比好的粉末和磨球按照10:1的比例一起放到球磨罐中，并加入步骤1)配比好的粉末质量的0.5～0.7％的硬脂酸作为过程控制剂，并在Ar气氛围下，以转速150～200r/min球墨10～15h，最后冷却到室温；
3)出粉：用150目和300目粒径的筛子对步骤2)获得的粉末进行筛分，获得粒径为150～300目的混合粉末。
上述耐高温腐蚀及磨损钴基粉末的制备方法中，所涉及的原材料及实验设备均通过公知的途径获得，所采用的操作工艺是本领域技术人员所掌握的。
所述的等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基粉末的应用，用作等离子转移弧同步送粉堆焊时的原料，在工件表面堆焊涂层。
本发明的有益效果为：
本发明通过对Cr、Mo、Si、Al以及氧化钇、氧化铈等稀土氧化物进行合理的成分配比，在保证钴基合金强度、耐磨性的同时又能保持其高的抗氧化、抗硫化能力。具体体现在：
(1)本发明制备等离子弧用钴基合金粉末工艺简单，原材料来源广泛，设备要求低，降低了等离子弧焊用钴基合金粉末的生产成本。
(2)本发明的高温耐腐蚀钴基合金粉末，将其等离子弧堆焊制得的涂层浸入75％Na2SO4+25％K2SO4混合盐中，在900℃条件下保温120h后取出试样，观察其截面金相形貌，在靠近外表面层区域有完整的析出物层，进行35S放射性同位素示踪技术，S侵入基体的深度为22um左右，而一般钴基合金S元素的侵入深度可以达到55um左右，本发明的高温抗腐蚀钴基合金有优异的抗氧化、抗硫化能力，使涂层在高温硫化环境中持久性得到了提升。
(3)本发明的高温耐腐蚀钴基合金粉末，对其等离子弧堆焊制得的涂层进行600℃高温销-盘滑行磨损试验，在载荷32N滑行900m测得失重量为65mg，而一般的钴基合金失重量在128～150mg，耐磨损性能提升了2～2.5倍，充分提高了工件的使用效率，提高了生产效率、节约能源，响应国家绿色再制造的号召。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1处理后典型显微组织200倍金相照片；
图2为本发明实施例1取试样进行高温磨损后的表面形貌的SEM照片；
具体实施方式
下面为本发明的较佳实施例进行详细阐述，便于本领域的技术人员理解，明确本发明的保护范围并做出明确的界定，下面的实例均在本发明的技术方案前提下进行。
本发明所述一种耐高温磨损及腐蚀钴基粉末，所述钴基粉末由Co、Cr、Mo、Si、Al、Ta、氧化钇、氧化铈八种成分组合而成，纯度为：99.99wt％的钴粉，99.99wt％的铬粉，99.99wt％钼粉，99.95wt％硅粉，99.99wt％铝粉，99.95wt％钽粉，99.95wt％氧化钇，99.95wt％氧化铈，粒径范围为200～350目。
所述钴基粉末中各成分中所占百分比均为重量比。
表一为各实施例中钴基粉末的成分重量百分比(其余为Co)
| 实施例 | Cr | Mo | Si | Al | Ta | 氧化钇 | 氧化铈 |
| 1 | 12 | 20 | 2.5 | 3 | 1.5 | 0.3 | 0.1 |
| 2 | 13 | 23 | 2.5 | 4 | 1.5 | 0.3 | 0.15 |
| 3 | 13 | 23 | 3.2 | 5 | 2 | 0.5 | 0.15 |
| 4 | 14 | 23 | 3.2 | 6 | 2 | 0.5 | 0.2 |
| 5 | 14 | 24 | 3.2 | 5 | 3 | 0.8 | 0.2 |
实施例1
第一步，配料
使用精度为0.01g的天平对各组分按表一实例1各组分重量百分比进行配料1000g，并按总重量的0.5wt％称量5g的硬脂酸。
第二步：球墨
按照球磨比为1:10，称量所需要磨球的重量，需要注意的是，磨球要求不同直径的混合球，将磨球、混合粉及硬脂酸末放到球磨罐中，其中硬脂酸作为过程控制剂防止球磨过程中粉末出现粘合现象，后用Ar气对密封好的球磨罐进行6次充放气，保证球磨罐中为Ar环境，避免球磨过程中合金组分被氧化，设定行星式球磨机转速为150r/min时间为10h，球墨结束后，将球磨罐放到冰箱里，使球磨罐温度冷却到室温。
第三步：出粉
将300目的筛子置于150目的筛子下面，将球磨罐中的磨球和粉末导入到筛子上面，进行筛分，获得粒度范围为150～300目的钴基粉末。
实施例2
目标成分为表一实例2，配料、出粉如实施例一所示，不同之处为：在球墨时，设定转速为150r/min，球磨时间为15h得到钴基粉末。
实施例3
目标成分为表一实例3，配料、出粉如实施例一所示，不同之处为：在球墨时，设定转速为180r/min，球磨时间为12h，得到钴基粉末。
实施例4
目标成分为表一实例4，配料、出粉如实施例一所示，不同之处为：在球墨时，设定转速为180r/min，球磨时间为15h，得到钴基粉末。
实施例5
目标成分为表一实例5，配料、出粉如实施例一所示，不同之处为：在球墨时，设定转速为200r/min，球磨时间为12h，得到钴基粉末。
将上述五种实例得到的钴基粉末，按照表二的工艺参数在长宽高为100mm*100mm*25mm的316L不锈钢板材上面分别进行等离子弧堆焊
表二等离子弧焊接工艺参数
按照MG-2000型高温高速摩擦磨损试验机试样要求分别从各实例对应的堆焊板材上面取下尺寸为φ6mm*12mm的试样3个，将上面取得试样分为三组，分别进行下面的测试。
(1)分别观察各实例堆焊得到的涂层金相组织，并根据显微维氏硬度计参考GBT4340.1-2009国家标准测定各实施例试样的显微硬度；其硬度、抗拉强度、密度如表4所示。
(2)高温摩擦磨损实验，在600℃下载荷为32N滑行900m，利用精密天平分别测试各实例试样的磨损失重量，并对其磨损形貌进行观察；
(3)高温硫酸盐腐蚀实验，将样品钴基涂层浸入75％Na2SO4+25％K2SO4混合盐里，在900℃高温下保温120h，对试样进行35S放射性示踪试验，并对其断面腐蚀形貌进行观察，测定S元素侵蚀深度；
各实例测得显微硬度、磨损失重量、S元素侵蚀深度如表三
表三
| 实施例 | 磨损失重量(mg) | S元素侵蚀深度(um) | |
| 1 | 950 | 71 | 30 |
| 2 | 980 | 70 | 27 |
| 3 | 1100 | 64 | 22 |
| 4 | 1150 | 64 | 24 |
| 5 | 1100 | 32 | 23 |
本发明等离子弧堆焊用钴基合金粉末，在保证钴基合金高硬度的同时使其高温耐磨损能力和抗腐蚀能力提高一倍以上，有效的增加了工件的使用寿命，节约了金属资源，复合国家节约能源的理念。
本发明Cr含量设计为12～14％。钴基合金中Cr元素用来提高耐腐蚀性和增强固溶体，其可以促进富钴固溶体在高温时的fcc结构向室温富钴固溶体hcp结构的转变。
本发明Mo的含量设计为20～24％，Si元素含量为2.5～3.2％，Mo元素和Si元素可以通过形成Co3Mo2Si这种Laves相，来提高钴基合金的硬度和耐磨损性能，Mo元素可以使α-Co在室温下稳定，进而也可以增强固溶体。合理的搭配Mo元素和Si元素的含量，使钴基合金为过共晶组织，在保证钴基合金韧性的同时，生成尽可能多的Laves相。从图1金相图中可以看出在钴基体上均匀分布着Laves相，有效的提高了堆焊层的硬度和耐磨损性能。图2显示堆焊层经过高温磨损后堆焊层无脱落、划痕等，展示了堆焊层的高温耐磨损性能。
本发明Al的含量设计为3～6％，Ta元素含量设计为1～3％。Al元素和Ta元素是活性较强的元素，可以在高温环境中，优先和O、S等元素发生反应，微量的Ta元素优先反应生成Ta2O5，作为形核质点促进Al2O3氧化膜的形成，由于Al2O3氧化膜非常致密，可以阻止S元素的侵蚀，提高钴基合金的高温耐腐蚀能力。
本发明氧化钇含量设计为0.3～0.8％，氧化铈含量设计为0.1～0.2。添加微量的稀土氧化物提高了钴基合金的耐氧化能力并较少Cr的含量，一般钴基合金Cr含量在25％以上才能形成连续的Cr2O3氧化膜。稀土氧化物可以作为CoCr2O4、Cr2O3等氧化物的形核质点，从而可以在合金表面形成以Cr2O3、CoO·Cr2O3为主的含有Cr2O3(Y2O3)、CrY2S4、Ce2O3的氧化膜，提高了氧化膜和基体的粘着性，并且在铬氧化膜中氧化钇和氧化铈往往在晶界及位错缺陷处，阻碍了原子的扩散通道。所以它们既阻碍氧、硫向内部的扩散侵入，又阻碍了铬的短程迁移，减缓氧化腐蚀速度。
另外，通过调节合金成分中的不同质量百分比，使得到的钴基合金性能高低不一。
本发明所述的是一种耐高温腐蚀及磨损的钴基合金，通过向钴基合金中添加Cr、Mo、Si、Al、Ta合金元素及氧化钇、氧化铈稀土氧化物，提高钴基合金的高温强度、耐腐蚀及耐磨能力，改善了持久强度，提升了稳定性，改善了高温钴基合金的品质。
以上是本发明的具体实施方式，但是本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本领域的相关技术人员在本发明所揭露的技术范围内，不经创造性想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (3)
1.一种等离子弧堆焊用耐高温腐蚀及磨损钴基粉末，其特征为包含Cr、Mo、Si、Al、Ta、氧化钇、氧化铈，粉末各组分质量百分数如下：Cr：12~14%；Mo：20~24%；Si：2.5~3.2%；Al：3~6%；Ta：1~3%；氧化钇：0.3~0.8%；氧化铈：0.1~0.2%；余量为Co，原始粉末的粒径范围为200~350目。
2.如权利要求1所述的耐高温腐蚀及磨损钴基粉末的制备方法，其特征为包括以下步骤：
1）配料：将初始粉末按照以上比例进行配料，初始粉末为99.99wt%的钴粉，99.99wt%的铬粉，99.99wt%钼粉，99.95wt%硅粉，99.99wt%铝粉，99.95wt%钽粉，99.95wt%氧化钇，99.95wt%氧化铈；
2）球墨：采用行星式球磨机，将步骤1）配比好的粉末和磨球按照10:1的比例一起放到球磨罐中，并加入步骤1）配比好的粉末质量的0.5~0.7%的硬脂酸作为过程控制剂，并在Ar气氛围下，以转速150~200r/min球墨10~15h，最后冷却到室温；
3）出粉：用150目和300目粒径的筛子对步骤2）获得的粉末进行筛分，获得粒径为150~300目的混合粉末。
3.如权利要求1所述的上述耐高温腐蚀及磨损钴基粉末的应用，其特征为用作等离子转移弧同步送粉堆焊时的原料，在工件表面堆焊涂层。
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