CN113186482A - 一种钼基粉芯丝材及涂层制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

一种钼基粉芯丝材，包括粉芯和丝材外皮，所述粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅0％‑10％，聚苯脂0％‑10％，余量为钼，粉芯丝材外皮所用带材为Al‑Mg合金带，粉芯丝材的填充率为29％‑31％，粉芯丝材的直径为3.0mm。本发明采用超音速电弧喷涂制备钼基涂层，操作方便，能实现大面积喷涂，且涂层在高温振动环境下具有一定的阻尼性能，能满足高温管道的高温阻尼性能，改善高温管道在高温振动环境下的服役稳定性，降低振动应力，延长其使用寿命。

Description

一种钼基粉芯丝材及涂层制备方法与应用
技术领域
本发明涉及材料加工工程中的热喷涂领域，尤其涉及一种钼基粉芯丝材及涂层制备方法与应用。
背景技术
随着工业的发展，管道的地位越来越重要。石油、化工、电站、舰船等行业的各类装置中管网密布，由于高温、高压管道内介质周期性和间歇性气流脉动、水击等引起的管道振动，从而造成许多危害性。严重的管道振动会给人们带来恐惧感和不安全感，致使生产装置有时不能正常运转；增加额外功率和噪声振动引起机组疲劳破坏，降低整个装置使用寿命；强烈的管道振动会使管道结构、管道附件产生疲劳破坏，轻则造成泄漏，重则破裂而引起爆炸、燃烧等严重事故。
引起管道振动的主要原因有下述三点：(1)机器动力平衡性能差或基础设计不当，(2)管道内气流脉动，(3)管道内流体流速过快，湍流边界层分离而产生涡流，引起振动。对于高温管道而言来说，气流脉动是必然存在的，管道振动是不可避免的，如何控制气流脉动，使它处于容许值的范围之内，是解决管道振动的根本办法。其基本原理是利用材料本身所具有的粘弹性能，将吸收振动源的一部分振动能，再以“热”的形式释放出去，即发生所谓的力学损耗，以达到降低振动、抑制噪声的目的。
有机阻尼涂层具有较高的阻尼性能，对外加电磁场不敏感，在室温环境得到了较多的应用，但由于很容易受工作环境的影响，所以它们只能在特定的频率和温度等环境内才能有效的应用。随着机械自动化的快速发展，有机阻尼涂层的力学性能以及对环境的敏感性，使其已经不能适用于其苛刻的服役环境，其解决方法是采用具有良好力学性能、耐高温的金属陶瓷涂层材料替代有机涂层材料，以提高其服役可靠性。目前的金属陶瓷涂层虽然在常温下阻尼性能达到高阻尼材料的要求，然而在高温条件下阻尼性能却大打折扣。
另外，火焰喷涂、等离子喷涂等喷涂工艺设备复杂，成本高，且喷涂材料受限以及涂层材料沉积效率低，不适宜在工业生产中大面积使用。而超音速电弧喷涂具有操作方便，喷涂材料应用广泛，喷涂材料沉积效率高，可以实现大面积喷涂等优点，已成为在实际应用领域制备涂层的主要方法。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种钼基粉芯丝材，粉芯丝材使得聚苯脂等导电性较差的物质可以应用于超音速电弧喷涂技术，且粉芯丝材的成分可控，大大提高了电弧喷涂技术的应用领域。
本发明的目的之二是提供一种钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法，采用超音速电弧喷涂制备钼基涂层，操作方便，能实现大面积喷涂，且涂层在高温振动环境下具有一定的阻尼性能，同时具有优异的力学性能。
本发明的目的之三是提供一种钼基涂层的应用，钼基涂层能提高高温管道的高温阻尼性能。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种钼基粉芯丝材，包括粉芯和丝材外皮，所述粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅0％-10％，聚苯脂0％-10％，余量为钼，粉芯丝材外皮所用带材为Al-Mg合金带，粉芯丝材的填充率为29％-31％，粉芯丝材的直径为3.0mm。
上述技术方案中，所述钼为粉末，钼粉末的粒度为40-100目。
上述技术方案中，所述碳化硅为粉末，碳化硅粉末的粒度为40-100目。
上述技术方案中，所述聚苯脂为粉末，聚苯脂粉末的粒度为40-100目。
上述技术方案中，所述Al-Mg合金带的厚度为0.3mm。
上述技术方案中，所述Al-Mg合金带中Al含量95wt％，Mg含量3wt％，余量为Si、Cu、Mn、Fe、Cr。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法，包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：利用粒子粒度为40-60目棕刚玉对基体表面进行喷砂处理，气压0.4-0.6MPa；
(2)将粉芯丝材外皮内加入粉芯后进行粉芯丝材轧制、减径，最终获得直径为3.0mm的粉芯丝材。
(3)采用超音速电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压35-36V；喷涂距离150-200mm；压缩空气压力：0.17-0.18MPa。
上述技术方案中，所述步骤(3)中，喷涂工艺参数为：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力：0.18MPa。
本发明实现目的之三所采用的方案是：一种钼基涂层的应用，采用钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法，将涂层喷涂于高温管道上。
本发明的原理为：
本发明所述方法制备钼基涂层具有的高温阻尼性能是其自身组分所决定的。Mo涂层具有优异的力学性能以及耐高温性能，在喷涂过程中部分形成具有良好的耐高温的连续致密的MoO2或MoO3氧化膜，大大提高了其高温抗氧化能力；碳化硅为增强相，可以细化晶粒，使得晶界增多，大量的晶界驰豫行为可以消耗振动能；聚苯脂在喷涂过程中起到一定的造孔作用，在振动环境下，孔隙使得部分振动能转化为热能，从而起到良好的能量耗散作用。对于无机材料的阻尼机理分析，阻尼的来源都不是唯一的，随着温度或频率的变化，各种阻尼源便会依序或同时显示。涂层阻尼性能与材料的晶体缺陷相关，其中包括点缺陷、线缺陷以及面缺陷。当体心立方金属钼中含有碳、氧等间隙原子时，由于间隙原子在外应力场作用下发生再分布而在室温附近呈现的阻尼峰。利用其中空位、杂质原子等点缺陷的斯诺克型驰豫过程所引起的内耗行为提升其阻尼性能。晶体中的位错运动会受到晶体中缺陷的阻碍，产生钉扎位错弦内耗行为。不同相之间的晶界以及涂层与基体之间的结合界面都会产生界面滑移的面缺陷内耗行为。虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的高温阻尼性能是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的。
本发明的有益效果是：
1.钼基粉芯丝材的优点是成分可控，通过采用钼粉末、碳化硅粉末以及聚苯脂粉末混合均匀制备出粉芯丝材，可以利用超音速电弧喷涂技术制备成钼基涂层。
2.钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法操作方便，喷涂材料应用广泛，聚苯脂等导电性较差以及不具有导电性的物质也可以应用于超音速电弧喷涂技术。且喷涂材料沉积效率高，可以实现大面积喷涂。
3.钼基涂层的损耗因子在0.035-0.055，无涂层平均损耗因子为0.005。钼基涂层的损耗因子较高于无涂层，阻尼性能得到提升。
4.钼基涂层应用于300℃以下的高温管道上，能满足高温管道的高温阻尼性能，改善高温管道在高温振动环境下的服役稳定性，降低振动应力，延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的钼基涂层和基材的实物图；
图2为本发明实施例1、2、3、4的高温阻尼性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
各实施例中相同部分如下所述：
实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12×0.3mm(宽度为12mm，厚度为0.3mm)的Al-Mg合金带，其中Al含量95wt％，Mg含量3wt％，余量为Si、Cu、Mn、Fe、Cr。粉芯丝材的成分在实施例中具体说明。基体选用316不锈钢，不锈钢的尺寸为60×10×0.8mm，利用粒子粒度为40-60目棕刚玉对基体表面进行喷砂处理，气压0.4-0.6MPa；将粉芯丝材外皮内加入粉芯后进行粉芯丝材轧制、减径，最终获得直径为3.0mm的粉芯丝材。喷涂工艺参数在实施例中具体说明。
实施例1
粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅0％，聚苯脂0％，钼100％，粉芯丝材的填充率为29.4％，轧制粉芯丝材，制备钼基涂层所用工艺参数：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.18MPa。
实施例2
粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅5％，聚苯脂0％，钼95％，粉芯丝材的填充率为29.0％，轧制粉芯丝材，制备钼基涂层所用工艺参数：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.18MPa。
实施例3
粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅0％，聚苯脂5％，钼95％，粉芯丝材的填充率为30.3％，轧制粉芯丝材，制备钼基涂层所用工艺参数：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.18MPa。
实施例4
粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅10％，聚苯脂5％，钼85％，粉芯丝材的填充率为30.7％，轧制粉芯丝材，制备钼基涂层所用工艺参数：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.18MPa。
实施例5
粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅5％，聚苯脂10％，钼85％，粉芯丝材的填充率为31.0％，轧制粉芯丝材，制备钼基涂层所用工艺参数：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.18MPa。
实施例6
粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅5％，聚苯脂5％，钼90％，粉芯丝材的填充率为29.8％，轧制粉芯丝材，制备钼基涂层所用工艺参数：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力0.18MPa。
对实施例1至6制备的钼基涂层进行阻尼性能测试实验，采用动态热机械分析仪Q800，温度为35-300℃，频率为150Hz，振幅为15μm。选取基体与实施例1、2、3、4、5、6进行对比。得出实施例6具有较高的损耗因子，达到0.052，基体的损耗因子为0.01。在高温条件下，涂层具有良好的阻尼性能。
实施例1为纯Mo涂层，结构较为致密，具有较少的界面结构及较低的孔隙率约0.039，损耗因子约为0.03；
实施例2加入5wt％碳化硅、95wt％钼，产生了部分的界面结构，使得孔隙率提高约为0.07，损耗因子约为0.04；
实施例3加入5wt％聚苯脂、95wt％钼，使得孔隙率大大提高约为0.154，损耗因子约为0.045；
实施例4加入10wt％碳化硅、5wt％聚苯脂、85wt％钼，孔隙率约为0.117，损耗因子约为0.048。
实施例5加入5wt％碳化硅、10wt％聚苯脂、85wt％钼，孔隙率约为0.235，损耗因子约为0.050。
实施例6加入5wt％碳化硅及5wt％聚苯脂、90wt％钼，孔隙率约为0.248，损耗因子约为0.052。可以得出孔隙率越大，损耗因子越大，阻尼性能越好的结论。
上述结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种钼基粉芯丝材，其特征在于：包括粉芯和丝材外皮，所述粉芯按照质量百分比计包括以下组分：碳化硅0％-10％，聚苯脂0％-10％，余量为钼，粉芯丝材外皮所用带材为Al-Mg合金带，粉芯丝材的填充率为29％-31％，粉芯丝材的直径为3.0mm。
2.如权利要求1所述的一种钼基粉芯丝材，其特征在于：所述钼为粉末，钼粉末的粒度为40-100目。
3.如权利要求1所述的一种钼基粉芯丝材，其特征在于：所述碳化硅为粉末，碳化硅粉末的粒度为40-100目。
4.如权利要求1所述的一种钼基粉芯丝材，其特征在于：所述聚苯脂为粉末，聚苯脂粉末的粒度为40-100目。
5.如权利要求1所述的一种钼基粉芯丝材，其特征在于：所述Al-Mg合金带的厚度为0.3mm。
6.如权利要求1所述的一种钼基粉芯丝材，其特征在于：所述Al-Mg合金带中Al含量95wt％，Mg含量3wt％，余量为Si、Cu、Mn、Fe、Cr。
7.采用权利要求1至6中任一项所述的钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：利用粒度为40-60目棕刚玉对基体表面进行喷砂处理，气压0.4-0.6MPa；
(2)将粉芯丝材外皮内加入粉芯后进行粉芯丝材轧制、减径，最终获得直径为3.0mm的粉芯丝材。
(3)采用超音速电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压35-36V；喷涂距离150-200mm；压缩空气压力：0.17-0.18MPa。
8.如权利要求7所述的钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，喷涂工艺参数为：电压36V；喷涂距离180-200mm；压缩空气压力：0.18MPa。
9.一种钼基涂层的应用，其特征在于：采用权利要求7至8中任一项所述的钼基粉芯丝材制备钼基涂层的方法，将涂层喷涂于高温管道上。
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