CN110565001A - 一种热喷涂粉末及其用于制备热喷涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热喷涂粉末及其用于制备热喷涂层的方法，属于表面工程技术领域，由于其组成成分中包含钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁等，并且其含有极少的杂质，纯度较高，并且该重量分数比的钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁相互配合，不仅保证了其形成的热喷涂涂层具备良好的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性，并且其可以配合激光熔覆技术在待保护基材表面形成致密的热喷涂涂层，而且该种热喷涂涂层的表面光滑，其韧度和粘附强度良好，具有显著的经济效益和市场应用前景。

Description

一种热喷涂粉末及其用于制备热喷涂层的方法

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种热喷涂粉末及其用于制备热喷涂层的方法。

背景技术

目前热喷涂技术已在航空、航天、钢铁、石化、能源、汽车等领域的表面处理方面得到广泛的应用；热喷涂技术工艺简捷，涂层和基体材料选择范围广，易形成耐磨、隔热、抗氧化、耐腐蚀、绝缘和导电等复合功能涂层并涂层厚度易控，可在现场实施大面积施工。但热喷涂涂层由高速飞行液滴撞击基材铺展、变形、堆积凝固形成的工艺特性决定了其具有组织成分不均匀、存有气孔、裂纹和板条层间弱结合等结构缺陷，尤其是涂层与基体之间的弱结合(以机械咬合为主)，这在很大程度上限制了涂层的应用范围与服役寿命。

同时，为了向各类工业用机器和普通机器的金属部件赋予有用的特性，例如耐腐蚀性、耐磨性以及耐热性，提出了一种能够在这些部件表面形成热喷涂涂层的技术。该热喷涂涂层是通过向基底材料喷涂经由加热软化或熔融的热喷涂材料形成的。

作特殊用途的热喷涂层要求具有优越的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性。已有技术中用热喷涂粉制备的热喷涂层通常并不具备良好的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性。因此，亟待提供一种新的热喷涂粉末以提高该热喷涂粉末形成的热喷涂层的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性。

发明内容

本发明提供一种热喷涂粉末及其用于制备热喷涂层的方法，能够通过热喷涂工艺形成致密的热喷涂涂层，并且该种热喷涂涂层的表面光滑且具有良好的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性，具有显著的经济效益和市场应用前景。

本发明提供的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供的一种热喷涂粉末包括如下重量份数的原料：金属钼40～60份、金属铬15～20份、硼6～10份、金属钴20～30份、金属镍20～40份、金属铝5.5～6份、金属铁0.01～0.15份和含量小于0.1份的硅，其中，所述热喷涂粉末中的杂质总含量低于5份且所述热喷涂粉末的粒度小于60微米。

可选的，所述热喷涂粉末的机械强度在200MPa～500MPa。

可选的，所述热喷涂粉末采用粒化烧结法或超声气体雾化技术制备。

可选的，所述热喷涂粉末中颗粒粒径小于10微米的颗粒数量占比不低于95％。

可选的，所述热喷涂粉末用于通过激光熔覆技术在待保护基材的表面形成热喷涂涂层。

另一方面，本发明实施例提供一种采用上述的热喷涂粉末制备热喷涂涂层的方法，所述方法包括：

对待保护基材的表面进行预清理和预加热，所述预清理步骤至少包括对所述待保护基材的表面进行去油污和喷砂处理，所述预加热以使所述待保护基材的表面温度达到300℃，且预加热过程中需要保持所述待保护基材的表面温度不低于300℃的持续时间不少于2个小时；

采用激光熔覆技术在待保护基材的表面制备热喷涂涂层，其中，激光熔覆过程中的具体参数为：激光功率15kW，激光头扫描速度500mm/s，激光束的光斑为矩形光斑，所述矩形光斑的尺寸为长边25mm、短边2mm。

可选的，所述热喷涂涂层的厚度为0.05mm～2.5mm。

可选的，所述采用激光熔覆技术在待保护基材的表面制备热喷涂涂层具体包括：

将同轴送粉装置安装在距离待保护基材表面2～30mm的位置，其中，所述同轴送粉装置采用圆锥形空心结构的激光束腔室，激光束腔室的外部环形空间为保护气体腔室，所述激光束腔室为倒立的圆锥结构，所述同轴送粉装置的壳体为中空结构，所述同轴送粉装置的壳体的内腔为送粉腔室；

向所述保护气体腔室中通入保护气，所述保护气为氮气、氩气或氦气中的至少一种，所述保护气用于保护熔化的热喷涂粉末和待保护基材表面形成的熔池；

开启激光器以在所述激光束腔室内形成激光束，所述激光束的汇聚点距离所述待保护基材的表面1～20mm，同时向所述同轴送粉装置壳体内腔中的送粉腔室中通入所述热喷涂粉末，所述热喷涂粉末为球形或近球形结构，所述送粉腔室中的送粉量为100g/min，所述送粉腔室中的送粉气流量为15L/min；

所述同轴送粉装置沿所述待保护基材的长度方向上按照300mm/s的速度移动，以在所述待保护基材的表面形成耐蚀抗磨的热喷涂涂层。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供一种热喷涂粉末，由于其组成成分中包含钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁等，并且其含有极少的杂质，纯度较高，并且该重量分数比的钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁相互配合，不仅保证了其形成的热喷涂涂层具备良好的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性，并且其可以配合激光熔覆技术在待保护基材表面形成致密的热喷涂涂层，而且该种热喷涂涂层的表面光滑，其韧度和粘附强度良好，具有显著的经济效益和市场应用前景。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供的一种热喷涂粉末包括如下重量份数的原料：金属钼40～60份、金属铬15～20份、硼6～10份、金属钴20～30份、金属镍20～40份、金属铝5.5～6份、金属铁0.01～0.15份和含量小于0.1份的硅，其中，该热喷涂粉末中的杂质总含量低于5份且热喷涂粉末的粒度小于60微米。

需要说明的是，本发明实施例的热喷涂粉末中含有的金属钼的含量不能高于60％(重量百分比)，如果金属钼的含量高于60％将会导致该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的韧度和粘结强度不达标，并且会伴随耐热冲击性的下降，甚至引起热喷涂涂层从待保护基材表面脱落或者出现裂缝。但是，实践表明，本发明实施例的热喷涂粉末中含有的金属钼的含量也不能低于40％，如果金属钼的含量低于40％，将会导致该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐氧化性和耐磨性明显下降，甚至造成热喷涂涂层的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐氧化性和耐磨性不达标。因此，优选的，本发明实施例的热喷涂粉末中含有的金属钼的含量在40份～60份之间。

与金属钼截然不同的是，本发明实施例的热喷涂粉末中含有的金属钴的含量如果过低将会导致其形成的热喷涂涂层的韧度和粘结强度明显降低，如果金属钴的含量如果过高又将会导致形成的热喷涂涂层的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐氧化性和耐磨性明显下降，因此，在金属钴配合金属钼使用的过程中，优选的，本发明实施例的热喷涂粉末中金属钴的含量为20～30份。

并且，本发明实施例的热喷涂粉末中的杂质总含量不能高于5％，如果其中的杂质含量过高，将会导致钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁的含量降低，进而导致其形成的热喷涂涂层的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐氧化性和耐磨性等性能较差。

同时还需要要求本发明实施例的热喷涂粉末的粒度小于60微米，并且热喷涂粉末采用粒化烧结法或超声气体雾化技术制备，其制备的热喷涂粉末中颗粒粒径小于10微米的颗粒数量占比不低于95％。具体的，本发明实施例的热喷涂粉末可以是粒化之后烧结形成的金属陶瓷粉末，同时要求将制备的热喷涂粉末加工至颗粒粒径小于10微米的颗粒数量占比不低于95％，尽可能的降低其颗粒粒径大小，可以保证其形成的热喷涂涂层具备良好的致密性和表面粗糙度，于此相反的是，研究表明，如果本发明实施例的热喷涂粉末的颗粒粒径过大将会难以形成致密且表面光滑的热喷涂涂层。本发明实施例的热喷涂粉末在使用之前，需要进行松装密度和流动性测定，其中，也不是要求本发明实施例的热喷涂粉末的颗粒粒径越小越好。实践表明，如果本发明实施例的热喷涂粉末中颗粒粒径小于5微米的颗粒数量占比大于10％之后，将会导致该热喷涂粉末的流动性明显降低，非常不利于采用同轴送粉装置进行激光熔覆处理。

本发明实施例的热喷涂粉末的机械强度在200MPa～500MPa，因为，如果本发明实施例的热喷涂粉末的机械强度高于500MPa时将会由于其机械强度过高导致其在激光熔覆过程中极其难以被熔覆形成热喷涂涂层，于此同时，如果本发明实施例的热喷涂粉末的机械强度低于200MPa，在热喷涂过程中又会由于其机械强度过小而极其容易发生迸散。需要说明的是，热喷涂粉末在激光熔覆过程中发生的迸散是指熔融热喷涂粉粘着并堆集在同轴送粉装置内壁上的现象，由于形成在同轴送粉装置内壁上的沉积物在热喷涂过程中脱落而会污染热喷涂层，因此迸散会引起热喷涂层质量的下降。

具体的，本发明实施例提供的热喷涂粉末用于通过激光熔覆技术在待保护基材的表面形成热喷涂涂层，并且通过激光熔覆技术在待保护基材的表面形成热喷涂涂层与待保护基材表面之间是冶金结合，冶金结合的结合强度高，不易发生热喷涂涂层脱落。激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔覆技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

本发明实施例提供的热喷涂粉末在制备热喷涂涂层过程中使用的激光熔覆技术具有以下特点：(1)冷却速度快(高达106K/s)，属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。

(2)涂层稀释率低(一般小于5％)，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；(3)热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。(4)粉末的适用范围广泛，特别是在低熔点金属表面仍然能够熔敷高熔点合金形成热喷涂涂层；(5)熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm。(6)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；(8)工艺过程易于实现自动化。

本发明实施例提供一种热喷涂粉末，由于其组成成分中包含钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁等，并且其含有极少的杂质，纯度较高，并且该重量分数比的钼、铬、硼、钴、镍、铝和铁相互配合，不仅保证了其形成的热喷涂涂层具备良好的耐熔融金属腐蚀性、耐热性、耐热冲击性、耐氧化性和耐磨性，并且其可以配合激光熔覆技术在待保护基材表面形成致密的热喷涂涂层，而且该种热喷涂涂层的表面光滑，其韧度和粘附强度良好，具有显著的经济效益和市场应用前景。

实施例二

基于相同的发明构思，本发明实施例二提供了一种采用上述的热喷涂粉末制备热喷涂涂层的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对待保护基材的表面进行预清理和预加热，预清理步骤至少包括对待保护基材的表面进行去油污和喷砂处理，预加热以使待保护基材的表面温度达到300℃，且预加热过程中需要保持待保护基材的表面温度不低于300℃的持续时间不少于2个小时；

步骤二：采用激光熔覆技术在待保护基材的表面制备热喷涂涂层，其中，激光熔覆过程中的具体参数为：激光功率15kW，激光头扫描速度500mm/s，激光束的光斑为矩形光斑，所述矩形光斑的尺寸为长边25mm、短边2mm。

具体的，将同轴送粉装置安装在距离待保护基材表面2～30mm的位置，其中，同轴送粉装置采用圆锥形空心结构的激光束腔室，激光束腔室的外部环形空间为保护气体腔室，激光束腔室为倒立的圆锥结构，同轴送粉装置的壳体为中空结构，同轴送粉装置的壳体的内腔为送粉腔室；向保护气体腔室中通入保护气，所述保护气为氮气、氩气或氦气中的至少一种，保护气用于保护熔化的热喷涂粉末和待保护基材表面形成的熔池；开启激光器以在所述激光束腔室内形成激光束，激光束的汇聚点距离所述待保护基材的表面1～20mm，同时向同轴送粉装置壳体内腔中的送粉腔室中通入热喷涂粉末，热喷涂粉末为球形或近球形结构，送粉腔室中的送粉量为100g/min，送粉腔室中的送粉气流量为15L/min；同轴送粉装置沿待保护基材的长度方向上按照300mm/s的速度移动，以在待保护基材的表面形成耐蚀抗磨的热喷涂涂层。

具体的，通过激光熔覆技术形成的热喷涂涂层与待保护基材的表面之间为冶金结合，冶金结合强度高可以避免使用过程中发生涂层脱落，其中，优选的，形成的热喷涂涂层厚度为0.05～2.5mm。

本发明实施例的一种采用上述的热喷涂粉末制备热喷涂涂层的方法，能够在较高的扫描速度下实现高耐熔融金属腐蚀性、高耐热性、高耐热冲击性、高耐氧化性和高耐磨性的热喷涂涂层的制备，该超快激光喷熔制备方法，在超快激光喷熔过程中，机械合金化优化过的热喷涂粉末颗粒在冲击待保护基材表面前能够保证被激光充分加热熔化，并以较高的速度撞击到微熔的待保护基材表面形成热喷涂涂层。因此，涂层与待保护基材表面之间达到冶金结合强度，待保护基材表面仅微熔因而变形小，从而达到采用上述热喷涂粉末制备高性能耐磨抗蚀热喷涂涂层的目的。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末包括如下重量份数的原料：金属钼40～60份、金属铬15～20份、硼6～10份、金属钴20～30份、金属镍20～40份、金属铝5.5～6份、金属铁0.01～0.15份和含量小于0.1份的硅，其中，所述热喷涂粉末中的杂质总含量低于5份且所述热喷涂粉末的粒度小于60微米。

2.根据权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末的机械强度在200MPa～500MPa。

3.根据权利要求2所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末采用粒化烧结法或超声气体雾化技术制备。

4.根据权利要求3所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末中颗粒粒径小于10微米的颗粒数量占比不低于95％。

5.根据权利要求4所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末用于通过激光熔覆技术在待保护基材的表面形成热喷涂涂层。

6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的热喷涂粉末制备热喷涂涂层的方法，其特征在于，所述方法包括：

对待保护基材的表面进行预清理和预加热，所述预清理步骤至少包括对所述待保护基材的表面进行去油污和喷砂处理，所述预加热以使所述待保护基材的表面温度达到300℃，且预加热过程中需要保持所述待保护基材的表面温度不低于300℃的持续时间不少于2个小时；

采用激光熔覆技术在待保护基材的表面制备热喷涂涂层，其中，激光熔覆过程中的具体参数为：激光功率15kW，激光头扫描速度500mm/s，激光束的光斑为矩形光斑，所述矩形光斑的尺寸为长边25mm、短边2mm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热喷涂涂层的厚度为0.05mm～2.5mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用激光熔覆技术在待保护基材的表面制备热喷涂涂层具体包括：

将同轴送粉装置安装在距离待保护基材表面2～30mm的位置，其中，所述同轴送粉装置采用圆锥形空心结构的激光束腔室，激光束腔室的外部环形空间为保护气体腔室，所述激光束腔室为倒立的圆锥结构，所述同轴送粉装置的壳体为中空结构，所述同轴送粉装置的壳体的内腔为送粉腔室；

向所述保护气体腔室中通入保护气，所述保护气为氮气、氩气或氦气中的至少一种，所述保护气用于保护熔化的热喷涂粉末和待保护基材表面形成的熔池；

开启激光器以在所述激光束腔室内形成激光束，所述激光束的汇聚点距离所述待保护基材的表面1～20mm，同时向所述同轴送粉装置壳体内腔中的送粉腔室中通入所述热喷涂粉末，所述热喷涂粉末为球形或近球形结构，所述送粉腔室中的送粉量为100g/min，所述送粉腔室中的送粉气流量为15L/min；

所述同轴送粉装置沿所述待保护基材的长度方向上按照300mm/s的速度移动，以在所述待保护基材的表面形成耐蚀抗磨的热喷涂涂层。