CN108642434B - 一种NiCrBSi-Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NiCrBSi‑Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法，其步骤为：按照涂层的成分配比称取Ni35粉和ZrH₂粉，并将其混合均匀；采用胶粘法将混合后的Ni35粉和ZrH₂粉进行粘合，并过筛获得粒径范围在38~74 mm之间的复合粉末；对待喷涂的金属基体表面进行喷砂粗化处理；以复合粉末为原料，在喷砂粗化处理后的基体表面进行大气等离子喷涂，获得NiCrBSi‑Zr涂层。本发明提供的喷涂复合粉体中含有氢化锆，氢化锆能够在喷涂的过程中分解成金属锆和氢气，产生的氢气能够提高热源温度促进锆的熔化，形成的金属锆具有较高的活性，Zr颗粒与NiCrBSi基体能够形成良好的结合界面，减少了涂层中的孔隙和裂纹等缺陷，有利于形成致密的涂层，相比于NiCrBSi涂层，NiCrBSi‑Zr涂层具有更优异的耐磨损和耐腐蚀性能。

Description

一种NiCrBSi-Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及热喷涂技术和表面工程领域，特别涉及一种NiCrBSi-Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法。

背景技术

NiCrBSi主要是以Ni、Cr为主的Ni基自熔性合金，合金中的Cr主要提高Ni基体的抗高温氧化性能和抗腐蚀性能，富余的Cr容易与碳、硼形成碳化铬、硼化铬硬质相，从而提高合金的硬度和耐磨性。B和Si元素能够降低合金的熔点，改善合金熔体的流动性及与基体表面的润湿性，这主要得益于B和Si具有很强的脱氧和造渣能力。另外，Si在合金中还能起固溶强化作用，B则能与合金中的一些元素结合形成高硬度的金属间化合物，起到弥散强化作用。因此，NiCrBSi涂层良好的耐腐蚀性和耐磨性，在表面工程领域得到广泛的应用。

随着科技的进步，纯NiCrBSi涂层材料已无法满足苛刻的性能要求，镍基复合涂层成为发展趋势。CN 107267908 A提出一种钻杆接头表面制备NiCrBSi-TiN梯度复合涂层耐磨带的方法，该涂层的原料粉末是NiCrBSi粉和Ti粉的混合粉末，涂层的制备方法采用等离子喷涂和感应重熔处理。CN 106399894 A提出一种WC-NiCrBSi梯度耐磨涂层的制备方法，涂层原料为WC和NiCrBSi混合粉，涂层的制备方法为大气等离子喷涂。CN 101580938 A提出一种氧化铝陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层制备方法，涂层原料为Al₂O₃和NiCrBSi混合粉，涂层的制备方法为大气等离子喷涂。以上专利通过向NiCrBSi涂层中添加增强颗粒实现了涂层性能的改善，但是这些增强相通常不能与NiCrBSi基体形成良好的冶金结合，颗粒间结合界面强度低，从而导致涂层在服役过程中容易出现颗粒剥落的现象，影响了涂层的耐磨耐蚀性能。因此，向NiCrBSi涂层中添加合适的增强相，以便形成良好的颗粒间结合界面，从而提高涂层的耐磨耐蚀性能显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种NiCrBSi-Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法，采用NiCrBSi与ZrH₂复合粉末利用等离子喷涂方法在钢基体表面制备该涂层。本发明制备的NiCrBSi-Zr涂层相比纯NiCrBSi涂层，具有更高的致密度和颗粒间界面结合强度，同时也具有更好的耐磨耐蚀性能。

一种NiCrBSi-Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法，主要制备步骤如下：

(1)按照涂层的成分配比称取Ni35粉和ZrH₂粉，并将其混合均匀备用；

(2)采用胶粘法将混合后的Ni35粉和ZrH₂粉进行粘合，并过筛获得粒径范围在38～74μm之间的复合粉末备用；

(3)对需要喷涂的金属基体表面进行喷砂粗化处理，砂子选用棕刚玉砂，喷砂使用的压缩空气压力为0.4MPa，喷砂后的基体在2小时内进行等离子喷涂；

(4)以上述步骤(2)制备的复合粉末为原料，利用等离子喷涂设备，在喷砂粗化处理后的基体表面进行等离子喷涂处理，获得NiCrBSi-Zr涂层。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(1)中Ni35粉的化学成分按重量百分比为：Cr：8.47％、B：2.91％、Si：2.75％、C：0.9％、Fe：3.38％、Ni余量，喷涂用复合粉体组分如下：Ni35粉：80～95wt％；ZrH₂粉：5～20wt％。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(2)中采用胶粘法将球磨混合后的Ni35粉和ZrH₂粉进行粘合的步骤如下：将聚乙烯醇胶水与球磨混合后的Ni35粉和ZrH₂粉搅拌均匀，于50℃烘至微粘合状态，用200目筛过筛，然后置于120℃下固化2小时使胶水彻底固化。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中金属基体材料包括碳钢、铸铁、铝合金、钛合金等。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中粗化后基体表面粗糙度为Ra7.0～9.0。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(4)中等离子喷涂的参数：喷涂距离为120mm，等离子气流H₂流量为6L/min，Ar流量为50L/min，电流为500A，电压为56V，喷枪平移速度为200m/s，每次向下移动3mm，重复喷涂6次。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1)本发明提供的喷涂复合粉体中含有氢化锆，氢化锆能够在喷涂的过程中分解成金属锆和氢气，产生的氢气能够提高热源温度促进锆的熔化，形成的金属锆具有较高的活性，有利于形成致密的涂层。

2)本发明提供NiCrBSi-Zr复合涂层中Zr颗粒与NiCrBSi基体能够形成良好的结合界面，减少了涂层中的孔隙和裂纹等缺陷。

3)本发明提出的NiCrBSi-Zr复合涂层，由于金属锆在摩擦和腐蚀过程中，能够在表面生成氧化锆膜，氧化锆有利于提高涂层的耐磨损和耐腐蚀性能，该涂层相比NiCrBSi涂层在耐磨损以及耐腐蚀性能等方面得到显著的提高。

附图说明

图1为本发明实施例1热喷涂NiCrBSi-Zr涂层的XRD图谱。

图2为本发明实施例1中的NiCrBSi-Zr涂层的截面SEM图。

图3为本发明实施例1中NiCrBSi-Zr涂层的(a)EDS面扫图和(b)EDS线扫图。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，下面结合附图和具体实例对本发明进一步描述，但本发明的实施方式不限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性改变的前提下所获得的实施成果均属于本发明保护的范围。

实施例1：

1.所述喷涂用混合粉体的组分(质量百分比)为：

Ni35粉：80％；

ZrH₂粉：20％。

混合粉制备方法包括以下步骤：

(1)混料

按照比例称取Ni35粉和ZrH₂粉末，将两种粉末放入球磨罐中以200r/min的转速球磨4h，获得混合粉。

(2)制胶

先称取40g聚乙烯醇的粉末，将其溶解于80℃水浴锅的烧杯(1L)之中，并且伴随机械搅拌或磁力搅拌2小时，以防止聚乙烯醇沉底团聚。最后将制好的PVA胶水置于120℃的烘箱中静置1小时。

(3)胶粘

用制好的PVA胶水与混合后粉末搅拌均匀，置于50℃烘箱内烘至微粘合状态，用200目筛过筛至合适粒度，然后置于120℃烘箱内两小时使胶水彻底固化，此方式能有效粘结不同粉末，避免喷涂过程中因加速度不同导致的粉末沉积状态差异的分层现象，喷涂过程中胶水会在等离子高温下燃烧殆尽，不会因残留异物影响复合涂层性能。

2.用Q235钢作为基体材料，对其表面进行棕刚玉喷砂粗化处理，要求粗化后表面粗糙度为Ra 7.0～9.0。

3.在热喷涂作业前，为提高涂层与基体的结合强度，采用等离子焰流在基体材料表面空走一遍，使基体温度预热达到200℃左右

4.将干燥好的粉末倒入送粉器中，调节送粉率为20g/min，调节送粉气流使得粉末刚好送入等离子焰流中心。等离子喷涂的参数：喷涂距离为120mm，等离子气流H₂流量为6L/min，Ar流量为50L/min，电流为500A，电压为56V，喷枪平移速度为200m/s，每次向下移动3mm，重复喷涂6次。最终在Q235钢基体表面沉积厚度约为200μm的NiCrBSi-Zr涂层。

5.将制备得到的NiCrBSi-Zr涂层通过X射线衍射分析(XRD)相成分。结果如图1所示，涂层主要存在γ-Ni、Zr和ZrO₂等相，Ni基合金粉在喷涂过程中没有发生相变，ZrH₂分解生成Zr和少量的ZrO₂。

6.对所制备涂层的截面进行SEM背散射观察，可以明显看出层间结合良好,如图2所示，并伴随B原子和C原子的扩散，对涂层的耐磨耐蚀性能的提高有着极大的改善，如图3所示。

7.对所制备涂层进行球盘摩擦磨损实验，作为对照，在同等条件下同时进行摩擦实验。其中对摩球为Si₃N₄、载荷5N、速度40mm/s、磨痕长度5mm、总滑动距离72m。结果表明，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的磨损率为7.08×10^-5mm³/N·m，低于纯Ni35涂层的1.47×10^-4mm³/N·m。

8.对所制备涂层进行电化学测试，极化曲线测试动电位扫描速度为1mV/s，扫描范围相对于开路电位从-1000mV至+1000mV，结果表明，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的自腐蚀电位为-522mV，自腐蚀电流为1.073×10^-6A/cm²。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的喷涂用混合粉体的组分(质量百分比)为：Ni35粉：90％；ZrH₂粉：10％。在步骤7中，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的磨损率为7.73×10^-5mm³/N·m，低于纯Ni35涂层的1.47×10^-4mm³/N·m。在步骤8中，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的自腐蚀电位为-543mV，自腐蚀电流为2.833×10^-6A/cm²。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的喷涂用混合粉体的组分(质量百分比)为：Ni35粉：95％；ZrH₂粉：5％。在步骤7中，相同摩擦实验条件下，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的磨损率为1.1×10^-4mm³/N·m，低于纯Ni35涂层的1.47×10^-4mm³/N·m。在步骤8中，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的自腐蚀电位为-561mV，自腐蚀电流为4.306×10^-6A/cm²。

实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的喷涂用混合粉体的组分(质量百分比)为：Ni35粉：97.5％；ZrH₂粉：2.5％。在步骤7中，相同摩擦实验条件下，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的磨损率为1.14×10^-4mm³/N·m，高于纯Ni35涂层的1.47×10^-4mm³/N·m。在步骤8中，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的自腐蚀电位为-579mV，自腐蚀电流为5.322×10^-6A/cm²。

实施例5：

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1中的喷涂用混合粉体的组分(质量百分比)为：Ni35粉：100％；ZrH₂粉：0％。在步骤7中，相同摩擦实验条件下，喷涂的纯Ni35涂层的磨损率为1.47×10^-4mm³/N·m。在步骤8中，喷涂的NiCrBSi-Zr涂层的自腐蚀电位为-596mV，自腐蚀电流为5.921×10^-6A/cm²。

Claims (6)

1.一种NiCrBSi-Zr耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

（1）按照涂层的成分配比称取Ni35粉和ZrH₂粉，并将其混合均匀；

（2）采用胶粘法将混合后的Ni35粉和ZrH₂粉进行粘合，并过筛获得粒径范围在38~74 μm之间的复合粉末；

（3）对待喷涂的金属基体表面进行喷砂粗化处理；

（4）以上述步骤（2）制备的复合粉末为原料，在喷砂粗化处理后的基体表面进行等离子喷涂处理，获得NiCrBSi-Zr涂层；

其中，

Ni35粉的化学成分按重量百分比为：Cr：8.47%、B：2.91%、Si：2.75%、C：0.9%、Fe：3.38%、Ni余量；

喷涂用复合粉末组分如下：Ni35粉：80wt%；ZrH₂粉：20wt%。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，采用胶粘法将球磨混合后的Ni35粉和ZrH₂粉进行粘合的步骤如下：将聚乙烯醇胶水与球磨混合后的Ni35粉和ZrH₂粉搅拌均匀，于50 ℃烘至微粘合状态，用200目筛过筛，然后置于120 ℃下固化2小时使胶水彻底固化。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属基体材料包括碳钢、铸铁、铝合金、钛合金。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，喷砂粗化处理时采用的砂子为棕刚玉砂，喷砂使用的压缩空气压力为0.4 MPa，喷砂后的基体在2小时内进行等离子喷涂。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，粗化后金属基体表面粗糙度为Ra 7.0~9.0。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，等离子喷涂的参数为：喷涂距离为120mm，等离子气流H₂流量为6 L/min，Ar流量为50 L/min，电流为500 A，电压为56 V，喷枪平移速度为200 m/s，每次向下移动3 mm，重复喷涂6次。

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