CN109182946A - 一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方、涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方，按质量百分比计，其成分组成为：SiO₂粉末：2～8％、TiO₂粉末：2～6％、Y₂O₃粉末：2～8％、Cr₂O₃粉末：余量。以该配方为喷涂原料，采用高焓等离子喷涂可获得用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层，该涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，涂层可耐600～800摄氏度中高温，并且涂层表面硬度高，与基体材料结合力强，能够承载较大载荷，有效解决了现有涂层易剥落、腐蚀、磨损、600～800摄氏度中高温环境下服役等问题。本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在淡水、海洋装备设施上大规模应用。

Description

一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配 方、涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨耐蚀耐中高温活塞杆涂层，尤其涉及一种专用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方、涂层及其制备方法。

背景技术

液压启闭机活塞杆是水工金属结构设备中的重要组成件，主要用于闸门的启闭，在频繁启闭下，活塞杆与液压缸摩擦产生高温(往往在600-800℃中高温范围)，而高温下影响启闭机的正常运行。另外启闭机活塞杆长期处于海水工况下。海洋大气湿度大，在活塞杆表面易形成水膜，同时，大气中含有大量的Cl^－会溶解在水膜中，积存在活塞杆表面，在其表面形成一层导电良好的电解质液膜，这样就会在活塞杆表面形成电化学腐蚀的条件，这样会导致长期在海洋环境下服役的启闭机活塞杆发生严重腐蚀。另外活塞杆表面的附着沙尘、砂粒等杂物，在活塞杆运行时容易造成磨损伤害。从而严重影响活塞杆运行的可靠性和稳定性，大大降低了活塞杆的使用寿命因此，有必要研究开发一种可提高启闭机活塞杆的耐磨损性能耐腐蚀性、耐高温特性的涂层。它们运行的安全可靠性和稳定性至关重要，严重影响着人民财产和生命安全。

目前启闭机活塞杆涂层主要有三种方法：①活塞杆表面镀铬，该方法制备的镀铬层结合强度一般小于10MPa，且镀铬会带来严重环境污染。②普通等离子喷涂制备Cr₂O₃涂层孔隙率一般在2-5％，结合强度一般在35MPa左右，抗腐蚀和抗磨损性能较差。③普通等离子喷涂制备Al₂O₃涂层孔隙率一般在2-5％，结合强度在25MPa左右，涂层耐冲击和重载性能较差。以上三种方法制备的涂层寿命往往只有5年。以浙江某沿海闸门工程为例，其中启闭机活塞杆采用等离子喷涂Cr₂O₃涂层的方法，但使用不到2年就出现了涂层腐蚀剥落情况。

本发明旨在针对工作于高湿高砂高温复杂环境的水利液压启闭机活塞杆开发一种耐磨耐蚀耐中高温的涂层配方、涂层及其制备方法，实现涂层的环保性、高效性和实用性的结合。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方、涂层及其制备方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方，按质量百分比计，其成分组成为：SiO₂粉末：2～8％、TiO₂粉末：2～6％、Y₂O₃粉末：2～8％、 Cr₂O₃粉末：余量。

一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层，该涂层是以上述的配方为原料，采用高焓等离子喷涂而成。

具体方法包括如下步骤：

1)将Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂、Y₂O₃各粉末球磨混合10-15小时，获得均匀的复合粉末；所述的氧化铝-氧化钛粉末的粒度为5-65μm，且复合粉末中以质量百分比计，各成分占比为：SiO₂粉末：2～8％、TiO₂粉末：2～6％、Y₂O₃粉末：2～8％、 Cr₂O₃粉末：余量；

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50～60℃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体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6MPa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65°～90°；

5)喷涂打底层，先采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂在喷涂基体表面喷涂上CoCrNiAlY打底层，再采用髙焓等离子喷涂上述的复合粉末，获得用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层。

本发明采用Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂、Y₂O₃按一定配比混合后得到的粉末为喷涂材料，采用高焓等离子喷涂可获得耐磨耐蚀耐中高温活塞杆污涂层。因为Cr₂O₃硬度高，具有优异的耐海水蚀性能，TiO₂可提高涂层与基体的结合力，涂层致密性和耐磨性。SiO₂可显著提高涂层的耐腐蚀性能，它适用于540℃以下耐磨粒磨损、硬面磨损及颗粒冲蚀、气蚀的零件。Y₂O₃具有细化晶粒、微合金化、改善晶界状态、减少内应力等作用，可提高涂层耐热、耐腐蚀、抗氧化性能。获得的含有Y₂O₃的Cr₂O₃-SiO₂-TiO₂耐磨耐蚀耐中高温涂层厚度为100-300μm，涂层的孔隙率＜1％；涂层的显微硬度＞1250HV；涂层的拉伸强度≥45MPa；耐3.5％NaCl 超过210天，盐雾实验呈现涂层5000小时未见明显腐蚀行为。

本发明的Y₂O₃粉末形态、粒度、含量对涂层性能有重要影响，由于微米级粉末表面活性较低，力学性能较差，无法起到提高涂层质量的作用，而采用纳米级粉末可有效提高粉末颗粒分布均匀性，提高涂层耐热、耐腐蚀、抗氧化性能，本发明Y₂O₃粒度在50-200nm之间。如果Y₂O₃粒度＜50nm，则粉末过融，不易形成涂层。如果Y₂O₃粒度＞200nm，稳定性差。Y₂O₃含量对涂层硬度、孔隙率、抗高温性呈先增大后减小的趋势，因此需要选择合适的质量配比，本发明Y₂O₃含量优选在3％～8％，其中质量含量在4％～8％时涂层质量更好。

本发明的耐磨耐蚀耐中高温涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温性能，涂层表面硬度高，与基体材料结合力强，能够承载较大载荷，耐腐蚀性能高、耐中高温效果强，有效解决了现有涂层易剥落、易磨损、不耐高温等问题。本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，不仅适合在海水、淡水环境下启闭机活塞杆，还适合海洋平台、洋流发电、船舶等海洋设施上大规模应用。

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20～27L/h，煤油压力为1.5～1.7MPa，氧气流量为800～900L/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340mm～390mm。

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180～350SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为 80～120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为60～120SCFH(立方英尺/小时)，送分速率为40～65g/min，喷涂距离100～170mm。

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处理，喷砂处理选用20～30目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6MPa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65°～90°。

本发明实施例中采用在Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂粉末中添加Y₂O₃粉末作为喷涂材料，Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂粉末粒度均为5-65μm，Y₂O₃粉末采用微米粉和4～6％纳米粉两种作为比较；各成分质量占比为：SiO₂粉末：2～8％、TiO₂粉末：2～6％、Y₂O₃粉末：2～8％、Cr₂O₃粉末：余量；并将粉末在球磨机内混合20～24小时，实现复合粉末的均匀化。

本发明实施例中喷涂基体可采用45钢。

本发明实施例中喷涂基体可采用Q345钢。

本发明实施例中喷涂基体可采用2205不锈钢。

本发明实施例中喷涂基体可采用DH36钢。

本发明实施例中喷涂基体可采用DH40钢。

实施例1

在粉末粒度为5-65μm的Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂、粉末中添加微米级的Y₂O₃粉末，并将混合粉末在球磨机内混合24小时，实现复合粉末的均匀化，Cr₂O₃粉末：余量、SiO₂粉末：2％粉末：TiO₂粉末：6％、Y₂O₃粉末：2％；

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3 小时。

用丙酮将2205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。采用上述方式进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂CoCrNiAlY粉末在上述基材表面作为打底层，煤油流量为24L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为360mm。

再采用高焓等离子喷涂设备喷涂上述的复合粉末，喷枪功率为80kW，氩气流量为200SCFH(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)，送分速率为50g/min，喷涂距离115mm，获得耐磨耐蚀耐中高温涂层。

上述的耐磨耐蚀耐中高温涂层厚度为250μm，涂层的孔隙率为1.35％；涂层的平均显微硬度为1057.1HV；涂层的拉伸强度20.7MPa；盐雾实验500小时见明显锈蚀点。

实施例2

在粉末粒度为5～65μm的Cr₂O₃.SiO₂.TiO₂粉末中添加粒度50-200纳米的Y₂O₃粉末，并将混合粉末在球磨机内混合24小时，实现复合粉末的均匀化，SiO₂粉末：8％、TiO₂粉末：6％、Y₂O₃粉末：8％、Cr₂O₃粉末：余量；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3小时。

用丙酮将2205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。采用上述方式进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂CoCrNiAlY粉末在上述基材表面作为打底层，煤油流量为24L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为360mm。

再采用高焓等离子喷涂设备喷涂上述的复合粉末，喷枪功率为80kW，氩气流量为200SCFH(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)，送分速率为50g/min，喷涂距离115mm，获得耐磨耐蚀耐中高温涂层。

上述的耐磨耐蚀耐中高温涂层厚度为250μm，涂层的孔隙率为0.87％；涂层的平均显微硬度为1232.3HV；涂层的拉伸强度54.7MPa；盐雾实验5000小时未见明显锈蚀点。

实施例3

在粉末粒度为5～65μm的Cr₂O₃.SiO₂.TiO₂粉末中添加粒度微米级的Y₂O₃粉末，并将混合粉末在球磨机内混合24小时，实现复合粉末的均匀化，SiO₂粉末： 6％、TiO₂粉末：2％、Y₂O₃粉末：8％、Cr₂O₃粉末：余量；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3小时。

用丙酮将Q345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。采用上述方式进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂CoCrNiAlY粉末在上述基材表面制作CoCrNiAlY打底层，煤油流量为24L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为 2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。

再采用高焓等离子喷涂上述的复合粉末，喷枪功率为90kW，氩气流量为 180SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为 120SCFH(立方英尺/小时)，送分速率为45g/min，喷涂距离115mm，获得耐磨耐蚀耐中高温涂层。

本例所得涂层的厚度为270μm，涂层的孔隙率为1.28％；涂层的平均显微硬度为1105.6HV；涂层的拉伸强度30.6MPa；盐雾实验600小时见明显锈蚀点。

实施例4

在粉末粒度为5～65μm的Cr₂O₃.SiO₂.TiO₂粉末中添加粒度50-200纳米的Y₂O₃粉末，并将混合粉末在球磨机内混合24小时，实现复合粉末的均匀化，SiO₂粉末： 6％、TiO₂粉末：4％、Y₂O₃粉末：5％、Cr₂O₃粉末：余量；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3小时。

用丙酮将Q345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。采用上述方式进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂CoCrNiAlY粉末在上述基材表面制作CoCrNiAlY打底层，煤油流量为24L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为 2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。

再采用高焓等离子喷涂上述的复合粉末，喷枪功率为90kW，氩气流量为180SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为 120SCFH(立方英尺/小时)，送分速率为45g/min，喷涂距离115mm，获得耐磨耐蚀耐中高温涂层。

本例所得涂层的厚度为270μm，涂层的孔隙率为0.72％；涂层的平均显微硬度为1316.8HV；涂层的拉伸强度51MPa；盐雾实验5000小时未见明显锈蚀点。

实施例5

在粉末粒度为5～65μm的Cr₂O₃.SiO₂.TiO₂粉末中添加粒度微米级的Y₂O₃粉末，并将混合粉末在球磨机内混合24小时，实现复合粉末的均匀化，SiO₂粉末： 8％、TiO₂粉末：6％、Y₂O₃粉末：8％、Cr₂O₃粉末：余量；

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3 小时。

用丙酮将Q345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。采用上述方式进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂CoCrNiAlY粉末在上述基材表面制作CoCrNiAlY打底层，煤油流量为24L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为 2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。

再采用高焓等离子喷涂上述的复合粉末，喷枪功率为90kW，氩气流量为180SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为 120SCFH(立方英尺/小时)，送分速率为45g/min，喷涂距离115mm，获得耐磨耐蚀耐中高温涂层。

该涂层厚度为240μm，涂层的孔隙率为1.68％；涂层的平均显微硬度为1087.3HV0.2；涂层的拉伸强度31.2MPa；盐雾实验550小时见明显锈蚀点。

实施例6

在粉末粒度为10～45μm的Cr₂O₃.SiO₂.TiO₂粉末中添加粒度50-200纳米的Y₂O₃粉末，并将混合粉末在球磨机内混合24小时，实现复合粉末的均匀化，SiO₂粉末： 6％、TiO₂粉末：4％、Y₂O₃粉末：8％、Cr₂O₃粉末：余量；；

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3 小时。

用丙酮将Q345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。采用上述方式进行喷砂处理。

采用超音速火焰喷涂CoCrNiAlY粉末在上述基材表面制作CoCrNiAlY打底层，煤油流量为24L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为 2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。

再采用高焓等离子喷涂上述的复合粉末，喷枪功率为90kW，氩气流量为 180SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为 120SCFH(立方英尺/小时)，送分速率为45g/min，喷涂距离115mm，获得耐磨耐蚀耐中高温涂层。

该涂层厚度为240μm，涂层的孔隙率为0.97％；涂层的平均显微硬度为1283.4HV0.2；涂层的拉伸强度52MPa；盐雾实验5000小时未见明显锈蚀点。

采用本发明方法制得的涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，涂层可耐 600～800摄氏度中高温，并且涂层表面硬度高，与基体材料结合力强，能够承载较大载荷，有效解决了现有水利液压启闭机活塞杆的涂层易剥落、腐蚀、磨损、需600～800摄氏度中高温环境下服役等问题。此外，本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在淡水、海洋装备设施上大规模应用。

Claims (6)

1.一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方，其特征在于，按质量百分比计，其成分组成为：SiO₂粉末：2～8％、TiO₂粉末：2～6％、Y₂O₃粉末：2～8％、Cr₂O₃粉末：余量。

2.根据权利要求1所述的用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方，其特征在于，所述的Y₂O₃粉末采用纳米粉末，粒度为50-200纳米。

3.根据权利要求1所述的用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方，其特征在于，所述的Y₂O₃粉末的质量百分比为4-8％。

4.根据权利要求1所述的用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方，其特征在于，所述的SiO₂粉末、TiO₂粉末、Cr₂O₃粉末粒度均为5-65μm。

5.一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层，其特征在于，该涂层是以如权利要求1-4任一项所述的配方为原料，采用高焓等离子喷涂而成。

6.制备如权利要求5所述的涂层的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)将Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂、Y₂O₃各粉末球磨混合10-15小时，获得均匀的复合粉末；所述的氧化铝-氧化钛粉末的粒度为5-65μm，且复合粉末中以质量百分比计，各成分占比为：SiO₂粉末：2～8％、TiO₂粉末：2～6％、Y₂O₃粉末：2～8％、Cr₂O₃粉末：余量；

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50～60℃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体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6MPa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65°～90°；

5)喷涂打底层，先采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂在喷涂基体表面喷涂上CoCrNiAlY打底层，再采用髙焓等离子喷涂上述的复合粉末，获得用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层。