CN108893695A - 一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法 - Google Patents

一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法，该粉末由如下成分组成：碳化钨(WC)、金属粘结剂、纳米碳化物强化相，所述的纳米碳化物强化相为碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)中的一种或多种。本发明的复合粉末可有效提高涂层的抗气蚀性能和抗冲蚀性能，同时该涂层还保持了良好的抗腐蚀、抗疲劳及抗磨损性能，此外复合涂层的制备方法工艺可靠，性能稳定，适合水轮机、水泵等抗冲蚀、抗气蚀领域应用推广，尤其适用于高泥沙水流环境中。

Description

一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂 层及其制备方法
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，尤其涉及一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法。
背景技术
冲蚀磨损、汽蚀、腐蚀是导致水轮机等水力机械失效的主要形式之一，它广泛存在于水轮机、水泵等机械的过流部件中，造成水力机械效率设备运行效率低下，寿命缩短，严重影响机组的稳定性和安全运行，来巨大的资源和经济的浪费。热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层具有良好的抗冲蚀性能和一定抗汽蚀和耐腐蚀性能，但在新疆、黄河等高泥沙水流中，热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层的抗泥沙冲蚀仍有不足，特别是抗石英砂冲蚀。且在水力机械高速运行过程中会对碳化钨金属陶瓷涂层产生巨大的气蚀作用而导致其无法对基材起到抗气蚀抗冲蚀保护。有研究表明：在高泥沙水流中，由于砂粒的硬度大，在含沙水流的不断冲击作用下，砂粒首先对碳化钨基涂层的粘结相造成严重的切削作用。涂层的粘结相受到冲刷粒子的微切削和犁削作用而去除，导致WC颗粒裸露在涂层表面。随着表层粘结相的逐渐减少，粘结相对表层WC颗粒的粘结作用也渐渐减弱，并在随后的粒子的冲击下产生脱落，造成涂层的失效。因而，无法起到长期的抗气蚀抗冲蚀保护作用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法，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要求的问题，在兼顾良好抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损性能的同时，提高设备的抗气蚀抗冲蚀性能。
本发明采用如下技术方案实现：
一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其成分组成如下：
碳化钨(WC)：40～85wt％、金属粘结剂：5～50wt％、纳米碳化物强化相：2～10wt％，所述的纳米碳化物强化相为碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)中的一种或多种。
上述技术方案中，所述的金属粘结剂为Co、Cr、Ni中的一种或两种的组合。
所述的碳化钨(WC)的颗粒度为0.5μm～8μm或40nm～200nm。
所述的纳米碳化物强化相颗粒度为20～100nm。
所述的复合粉末的颗粒尺度为10～55μm。
以该复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂该原料，可直接形成抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层。
其具体的制备工艺如下：
1)将碳化钨、金属粘结剂、纳米碳化物强化相按一定的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合20～30小时。
2)采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为1000～1250℃。烧结后进行破碎筛分得到抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末。
3)将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为 60～100℃，烘干时间为1～2小时。
4)将碳钢或合金钢基材表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
5)以步骤3)中烘干好的复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料，直接形成抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层。
本发明的有益效果是：
本发明通过对碳化钨基粉末组分的选择及涂层制备方法的不断探究，获得了抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末及涂层，有效提高金属粘结相的强度和硬度，同时抑制WC在热喷涂或激光熔敷过程中的晶粒长大，其涂层抗冲蚀性能相对普通碳化钨基金属陶瓷涂层提高了30-150％，抗气蚀性能相对普通碳化钨基金属陶瓷涂层提高了30～80％，复合涂层的冲蚀失重仅为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的4％～7.7％，气蚀失重为高强不锈钢77％～56％，同时该涂层还保持了良好的抗腐蚀及抗磨损、抗疲劳等性能，此外复合涂层的制备方法工艺可靠，性能稳定，适合水轮机、水泵等抗冲蚀、抗汽蚀领域应用推广，尤其适用于高泥沙水流环境中。
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煤油超音速火焰喷涂工艺参数：煤油流量为22～30L/h，煤油压力为1.5～2.0MPa，氧气流量为840～950L/min，氧气压力为1.7～2.0MPa,送粉速率为80～100g/min,氮气流量为10～ 15L/min,氮气压力为1.0～1.2MPa，喷涂距离为350mm～400mm。
本发明实施例中采用的大气超音速火焰喷涂工艺参数：丙烷压力为0.6～0.8MPa，空气压力：0.7～0.9MPa,氮气压力：0.2～0.4MPa，，送粉速率为80～120g/min，喷涂距离150～220mm。
本发明实施例中采用一种抗冲蚀抗气蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末作为原料，其成分组成为碳化钨(WC)：40～85wt％、金属粘结剂：5～50wt％、纳米碳化物强化相：2～10wt％。所述的金属粘结剂为Co、Cr、Ni的其中一种或两种的组合。所述的纳米碳化物强化相为碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)中的一种或二种。所述的碳化钨(WC)颗粒度为0.5～8μm或者50nm～200nm。所述的纳米碳化物强化相颗粒度为20～100nm；所述的复合粉末的颗粒尺度为10～55 μm。
本发明实施例中喷涂基体采用45碳钢或0Cr13Ni5Mo不锈钢。
实施例1
将粒度为40～100nm的碳化钨(WC)、金属粘结剂Co、金属粘结剂 Cr、粒度为20～50nm的纳米碳化钒(VC)、粒度为20～50nm的纳米碳化铌(NbC)按碳化钨(WC)：74wt％、金属粘结剂Co：10wt％、金属粘结剂Cr2wt％、纳米碳化钒(VC)：2wt％、纳米碳化钛(TiC)： 2wt％的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合25小时。
采用水雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为 1150℃。烧结后进行破碎筛分得到抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化钒、碳化铌增强碳化钨-钴铬复合粉末。所述的复合粉末的颗粒尺度为5～30μ m。
将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为80℃，烘干时间为1小时。
将碳钢表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
以烘干好的复合粉末为原料，采用的大气超音速火焰喷涂该原料，喷涂工艺参数：丙烷压力为0.65MPa，空气压力：0.8MPa,氮气压力：0.22MPa，送粉速率为80g/min，喷涂距离150mm。获得具有高抗气蚀抗冲蚀性能的纳米碳化钒、碳化铌增强碳化钨-钴铬复合涂层。
该复合涂层厚度为255μm，涂层的孔隙率为0.36％，涂层的结合强度为88MPa，涂层的冲蚀失重仅为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的 7.7％，同时气蚀失重仅为高强不锈钢67.14％，涂层的自腐蚀电位为-0.1895V，高于普通碳化钨涂层(约-0.28V)。复合涂层表现出高抗冲蚀、抗气蚀性能，同时具有良好抗腐蚀、抗磨损、抗疲劳性能。
实施例2
将粒度为40～60nm的碳化钨(WC)、金属粘结剂Ni、粒度为50～80 nm的纳米碳化铌(NbC)按碳化钨(WC)：80wt％、金属粘结剂Co： 10wt％、金属粘结剂Cr：5wt％纳米碳化铌(NbC)：5wt％的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合25小时。
采用酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为 1150℃。烧结后进行破碎筛分得到抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化铌增强碳化钨-镍复合粉末。所述的复合粉末的颗粒尺度为15～45μm。
将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60℃，烘干时间为1.5小时。
将0Cr13Ni5Mo不锈钢表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
以烘干好的复合粉末为原料，采用的超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为25L/h，煤油压力为1.4MPa，氧气流量为840L/min，氧气压力为1.8MPa,送粉速率为80g/min,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为380mm。获得高抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化铌增强碳化钨-镍复合涂层。
该复合涂层厚度为320μm，涂层的孔隙率为0.27％，涂层的结合强度为92MPa，涂层的冲蚀失重仅为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的 4.5％，同时气蚀失重仅为高强不锈钢57％，涂层的自腐蚀电位为 -0.1736V，高于普通碳化钨涂层(约-0.28V)。复合涂层表现出高抗冲蚀、抗气蚀性能，同时具有良好抗腐蚀、抗磨损、抗疲劳性能。
实施例3
将粒度为60～90nm的碳化钨(WC)、金属粘结剂Ni、金属粘结剂 Cr、20～50nm的纳米碳化钒(VC)、粒度为50～80nm的纳米碳化铌 (NbC)按碳化钨(WC)：45wt％、金属粘结剂Ni：35wt％、金属粘结剂Cr:15wt％、纳米碳化钒(VC):2wt％、纳米碳化铌(NbC)：3wt％的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合28小时。
采用酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为 1150℃。烧结后进行破碎筛分得到高抗冲蚀、抗气蚀的纳米碳化铌碳化钒增强碳化钨-镍铬复合粉末。所述的高抗冲蚀、抗汽蚀的纳米碳化钒、碳化铌增强碳化钨-镍铬复合粉末的颗粒尺度为11～45μm。
将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为70℃，烘干时间为1.5小时。
将0Cr13Ni5Mo不锈钢表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
以烘干好的复合粉末为原料，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1.8MPa，氧气流量为870L/min，氧气压力为1.9MPa,送粉速率为70g/min,氮气流量为11L/min,氮气压力为1.3MPa，喷涂距离为370mm。获得高抗冲蚀抗气蚀的纳米碳化钒、碳化铌增强碳化钨-镍铬复合涂层。
该复合涂层厚度为370μm，涂层的孔隙率为0.17％，涂层的结合强度为94MPa，涂层的冲蚀失重仅为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的 4.2％，同时气蚀失重仅为高强不锈钢59％，涂层的自腐蚀电位为 -0.1665V，高于普通碳化钨涂层(约-0.28V)。复合涂层表现出高抗冲蚀、抗气蚀性能，同时具有良好抗腐蚀、抗磨损、抗疲劳性能。

Claims (7)

1.一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其特征在于，其成分组成如下：
碳化钨(WC)：40～85wt％、金属粘结剂：5～50wt％、纳米碳化物强化相：2～10wt％，所述的纳米碳化物强化相为碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其特征在于，所述的金属粘结剂为Co、Cr、Ni中的一种或两种的组合。
3.根据权利要求1所述的抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其特征在于，所述的碳化钨(WC)的颗粒度为0.5μm～8μm或40nm～200nm。
4.根据权利要求1所述的抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其特征在于，所述的纳米碳化物强化相颗粒度为20～100nm。
5.根据权利要求1所述的具抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其特征在于，所述的复合粉末的颗粒尺度为10～55μm。
6.一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层，其特征在于，所述的涂层以权利要求1所述的复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂获得。
7.如权利要求6所述的抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将碳化钨、金属粘结剂、纳米碳化物强化相按质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合20～30小时；
2)采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为1000～1250℃，烧结后进行破碎筛分得到抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末；
3)将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60～100℃，烘干时间为1～2小时；
4)将碳钢或合金钢基材表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm；
5)以步骤3)中烘干好的复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂该原料，直接形成具有高抗气蚀性能的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层。
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