CN113897575B - 一种碳化钨基复合粉末、涂层及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化钨基复合粉末、涂层及其制备工艺；其中，碳化钨基复合粉末，包括含Cr、Ni、Mo、Ti、La2O3的纳米碳化钨粉末；所述碳化钨基复合粉末的粉末粒度为5～45μm。本发明的碳化钨基复合粉末制备的碳化钨基复合涂层，耐腐蚀能力超过基体0Cr13Ni5Mo，耐磨损能力为基体的60倍以上，耐含沙海水冲刷性能是基体8倍以上，抗海水汽蚀性能是基体的1.6倍以上，在显微硬度、结合强度、抗腐蚀性能和抗海水汽蚀性能方面有了很大的提高，且生产成本低，制备工艺可靠，性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化钨基复合粉末、涂层及其制备工艺，尤其涉及一种耐磨损、耐海水汽蚀、耐含沙海水冲刷的碳化钨基复合粉末、涂层及其制备工艺。
背景技术
船舶桨叶、海洋平台闭排泵、潮汐发电装备转轮等是海洋装备的关键部件，其长期在海洋环境中服役，极易发生海水腐蚀，其工作状态为快速旋转，极易发生气蚀，同时运转部件在硬质介质作用下易发生磨损。海洋装备在运行过程中受到腐蚀、磨损和海水气蚀、含沙海水的冲刷的复合作用，由于腐蚀、磨损、冲刷和海水气蚀是同时存在，也会相互影响，海水腐蚀对磨损、气蚀有加速作用，磨损、冲刷也对腐蚀、汽蚀具有加速作用，同时气蚀也会加剧腐蚀、磨损的作用，因此腐蚀、磨损、海水气蚀、含沙海水冲刷是海洋装备特有的失效形式。
海水气蚀造成装备整体性能下降，产生噪声，减少设备使用寿命并对设备安全运行带来隐患。由于海水气蚀破坏主要发生在材料的表面，所以采用热喷涂技术在基体材料表面制备抗腐蚀和抗气蚀涂层，是强化材料表面结构提高抗海水气蚀的有效途径之一，例如，公开号为CN110144510A的专利文献公开的碳化钨-碳化铬-镍钼复合涂层。要求涂层具有高的致密度、硬度、强度、良好的耐腐蚀性和韧性。
超音速喷涂的如NiCr-WC、CoCr-WC等现有的WC基涂层具有高结合强度、高硬度、耐磨性，但韧性较差，在淡水中使用其抗汽蚀性能不高于基体(0Cr13Ni5Mo)；在海水中，由于腐蚀严重，其抗汽蚀性能更差，无法满足海水环境下船舶桨叶、海洋平台闭排泵、潮汐发电装备转轮等是海洋装备使用要求。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种碳化钨基复合粉末、涂层及其制备工艺。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳化钨基复合粉末，包括含Cr、Ni、Mo、Ti、La2O3的纳米碳化钨粉末；所述碳化钨基复合粉末的粉末粒度为5～45μm。
作为优选方案，所述纳米碳化钨粉末的粉末粒度为40～90nm，Cr的粉末粒度为1～3μm，Ni的粉末粒度为1～3μm，Mo的粉末粒度为1～3μm，Ti的粉末粒度为1～3μm，La2O3的粉末粒度为50～90nm。
作为优选方案，所述纳米碳化钨粉末的粉末纯度不低于99.9％，Cr的粉末纯度不低于99.9％，Ni的粉末纯度不低于99.9％，Mo的粉末纯度不低于99.9％，Ti的粉末纯度不低于99.9％，La2O3的粉末纯度不低于99.9％。
作为优选方案，所述的碳化钨基复合粉末，以重量百分比计，包括以下组分：
WC70～80％、Cr5～10％、Ni3～10％、Mo3～10％、Ti3～6％、La2O30.2～1.5％。
作为优选方案，所述碳化钨基复合粉末，将各组分粉末球磨混合15～20小时，再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℃，最后将所烧结的粉末进行破碎筛分得到粉末粒度为5～45μm的碳化钨基复合粉末。
本发明还提供一种碳化钨基复合涂层，由如上任一项方案所述的碳化钨基复合粉末喷涂而成。
作为优选方案，所述涂层的厚度为100～400μm，涂层的孔隙率＜0.5％，涂层的显微硬度＞1100HV0.2，涂层与基体的结合强度≥80MPa。
作为优选方案，所述喷涂工艺为超音速火焰喷涂、爆炸喷涂或大气超音速火焰喷涂。
本发明还提供如上任一方案所述的碳化钨基复合涂层的制备工艺，包括以下步骤：
(1)对Cr、Ni、Mo、Ti、La2O3及纳米碳化钨粉末进行配料，之后通过喷雾干燥法、烧结、破碎筛分制得碳化钨基复合粉末；
(2)将碳化钨基复合粉末平铺进行烘干，保温温度为60～100℃，烘干时间为2～4小时；
(3)对待喷涂基材的表面进行清洗，之后烘干；
(4)对经过步骤(3)处理之后的待喷涂基材的表面进行喷砂处理；
(5)采用喷涂工艺对经过步骤(3)处理之后的待喷涂基材的表面喷涂碳化钨基复合粉末，以制得碳化钨基复合涂层。
作为优选方案，所述喷砂处理采用空气动力喷砂方法，选用30～50目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3～0.6MPa，喷砂距离为100～200mm，喷砂角度为60～90°。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的碳化钨基复合粉末制备的碳化钨基复合涂层，耐腐蚀能力超过基体(0Cr13Ni5Mo)，耐磨损能力为基体(0Cr13Ni5Mo)的60倍以上，耐含沙海水冲刷性能是基体8倍以上，抗海水汽蚀性能是基体(0Cr13Ni5Mo)的1.6倍以上，在显微硬度、结合强度、抗腐蚀性能和抗海水汽蚀性能方面有了很大的提高，且生产成本低，制备工艺可靠，性能稳定，适合在船舶桨叶、海洋平台闭排泵、潮汐电站、海工闸门等海洋装备上应用，也可以在水力机械过流部件、压缩机螺杆、连铸连轧棍、汽轮机涡轮叶片等领域大规模应用。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
本实施例的碳化钨基复合涂层的制备工艺，包括：
(1)选用粉末粒度为40-90nm的纳米WC粉末，粒度为1-3μm纯度为99.95％Cr粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ni粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Mo粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ti粉末、粒度为50-90nm纯度为99.95％La2O3粉末；
将上述粉末原料按照以下配比称重：
WC 74％、Cr 8％、Ni 5％、Mo 6.5％、Ti 6％、La2O3 0.5％；将各组分粉末球磨混合18小时，再采用水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1100℃，最后将所烧结的粉末进行破碎筛分得到粉末粒度为15-45μm的碳化钨基复合粉末。
(2)将碳化钨基复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为75℃，烘干时间为3小时。
(3)用丙酮将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内45℃烘干，除去其表面油渍污物。
(4)采用空气动力喷砂方法对0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面进行喷砂处理；具体地，选用30-50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3-0.6MPa，喷砂距离为100-150mm，喷砂角度为60-90°。
(5)采用超音速火焰喷涂上述碳化钨基复合粉末得到碳化钨基复合涂层。其中，超音速火焰喷涂设备为HV-50型超音速火焰喷涂设备，工艺参数为：煤油流量为26L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为855L/min，氧气压力为2MPa，氮气流量为10L/min，氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。
本实施例制得的碳化钨基复合涂层的厚度为300μm，涂层的孔隙率为0.34％，涂层的平均显微硬度为1223HV0.2，涂层与基体的结合强度84MPa，涂层的耐磨性是基体的87倍，耐含沙海水冲刷性能是基体9.7倍，耐腐蚀性优于基体，耐海水汽蚀性能是基体的1.64倍。
实施例2：
本实施例的碳化钨基复合涂层的制备工艺，包括：
(1)选用粉末粒度为40-90nm的纳米WC粉末，粒度为1-3μm纯度为99.95％Cr粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ni粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Mo粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ti粉末、粒度为50-90nm纯度为99.95％La2O3粉末；
将上述粉末原料按照以下配比称重：
WC 71％、Cr 10％、Ni 5％、Mo 9％、Ti 4％、La2O3 1％；将各组分粉末球磨混合20小时，再采用水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℃，最后将所烧结的粉末进行破碎筛分得到粉末粒度为10-30μm的碳化钨基复合粉末。
(2)将碳化钨基复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为85℃，烘干时间为2.5小时。
(3)用酒精将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内50℃烘干，除去其表面油渍污物。
(4)采用空气动力喷砂方法对0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面进行喷砂处理；具体地，选用30-50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3-0.6MPa，喷砂距离为100-150mm，喷砂角度为60°-90°。
(5)采用爆炸喷涂上述碳化钨基复合粉末得到碳化钨基复合涂层。其中，爆炸喷涂设备为CCDS2000爆炸喷涂设备，工艺参数为：氧燃比为1.08，送分速率为55g/min，喷涂距离250mm。
本实施例制得的碳化钨基复合涂层的厚度为270μm，涂层的孔隙率为0.47％，涂层的平均显微硬度为1125HV0.2，涂层与基体的结合强度98MPa，涂层的耐磨性是基体的73倍，耐含沙海水冲刷性能是基体11.5倍，耐腐蚀性优于基体，耐海水汽蚀性能是基体的1.78倍。
实施例3：
本实施例的碳化钨基复合涂层的制备工艺，包括：
(1)选用粉末粒度为40-90nm的纳米WC粉末，粒度为1-3μm纯度为99.95％Cr粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ni粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Mo粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ti粉末、粒度为50-90nm纯度为99.95％La2O3粉末；
将上述粉末原料按照以下配比称重：
WC 72％、Cr 7％、Ni 6％、Mo 9％、Ti 5％、La2O3 1％；将各组分粉末球磨混合15小时，再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1250℃，最后将所烧结的粉末进行破碎筛分得到粉末粒度为5-30μm的碳化钨基复合粉末。
(2)将碳化钨基复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为90℃，烘干时间为2小时。
(3)用酒精将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内50℃烘干，除去其表面油渍污物。
(4)采用空气动力喷砂方法对0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面进行喷砂处理；具体地，选用30-50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3-0.6MPa，喷砂距离为100-150mm，喷砂角度为60-90°。
(5)采用大气超音速火焰喷涂上述碳化钨基复合粉末得到碳化钨基复合涂层。其中，大气超音速火焰喷涂设备为AK06HVAF喷涂设备，氩气流量为450SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为135SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为95SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为45g/min，喷涂距离130mm。
本实施例制得的碳化钨基复合涂层的厚度为240μm，涂层的孔隙率为0.22％，涂层的平均显微硬度为1205HV0.2，涂层与基体的结合强度82MPa，涂层的耐磨性是基体的78倍，耐含沙海水冲刷性能是基体8倍，耐腐蚀性优于基体，耐海水汽蚀性能是基体的1.82倍。
对比例1：
复合涂层不含Ti的情况下：
(1)选用粉末粒度为40-90nm的纳米WC粉末，粒度为1-3μm纯度为99.95％Cr粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ni粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Mo粉末、粒度为50-90nm纯度为99.95％La2O3粉末；
将上述粉末原料按照以下配比称重：
WC 77％、Cr 7％、Ni 6％、Mo 9％、La2O3 1％，之后通过喷雾干燥法、烧结、破碎筛分制得最终粉末粒度为5-30μm的碳化钨基复合粉末。
(2)将碳化钨基复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为90℃，烘干时间为2小时。
(3)用酒精将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内50℃烘干，除去其表面油渍污物。
(4)采用空气动力喷砂方法对0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面进行喷砂处理；具体地，选用30-50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3-0.6MPa，喷砂距离为100-150mm，喷砂角度为60-90°。
(5)采用大气超音速火焰喷涂上述碳化钨基复合粉末得到碳化钨基复合涂层。其中，大气超音速火焰喷涂设备为AK06HVAF喷涂设备，氩气流量为450SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为135SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为95SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为45g/min，喷涂距离130mm。
本实施例制得的碳化钨基复合涂层的厚度为245μm，涂层的孔隙率为0.63％，涂层的平均显微硬度为1075HV0.2，涂层与基体的结合强度70MPa，涂层的耐磨性是基体的32倍，耐含沙海水冲刷性能是基体的2.3倍，耐腐蚀性与基体相当，耐海水汽蚀性能是基体的1.03倍。
对比例2：
复合涂层中Cr替换为Cr3C2的情况：
(1)选用粉末粒度为40-90nm的纳米WC粉末，粒度为1-3μm微米Cr3C-2粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ni粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Mo粉末、粒度为1-3μm纯度为99.95％Ti粉末、粒度为50-90nm纯度为99.95％La2O3粉末；
将上述粉末原料按照以下配比称重：
WC 74％、Cr3C2 8％、Ni 5％、Mo 6.5％、Ti 6％、La2O3 0.5％，之后通过喷雾干燥法、烧结、破碎筛分制得最终粉末粒度为15-45μm的碳化钨基复合粉末。
(2)将碳化钨基复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为75℃，烘干时间为3小时。
(3)用丙酮将0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内45℃烘干，除去其表面油渍污物。
(4)采用空气动力喷砂方法对0Cr13Ni5Mo不锈钢喷涂基材表面进行喷砂处理；具体地，选用30-50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3-0.6MPa，喷砂距离为100-150mm，喷砂角度为60-90°。
(5)采用超音速火焰喷涂上述碳化钨基复合粉末得到碳化钨基复合涂层。其中，超音速火焰喷涂设备为HV-50型超音速火焰喷涂设备，工艺参数为：煤油流量为26L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为855L/min，氧气压力为2MPa，氮气流量为10L/min，氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。
本实施例制得的碳化钨基复合涂层的厚度为280μm，涂层的孔隙率为0.71％，涂层的平均显微硬度为1105HV0.2，涂层与基体的结合强度65MPa，涂层的耐磨性是基体的38倍，耐含沙海水冲刷性能是基体2.6倍，耐腐蚀性优于基体，耐海水汽蚀性能是基体的1.07倍。
在上述实施例及其替代方案中，各组分均可在下列相应的范围内根据实际应用需求进行选择，WC70～80％、Cr5～10％、Ni3～10％、Mo3～10％、Ti3～6％、La2O30.2～1.5％。鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-3作为代表说明本发明申请优异之处。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于海洋装备的碳化钨基复合涂层，其特征在于，所述碳化钨基复合涂层由碳化钨基复合粉末喷涂而成；
所述碳化钨基复合粉末包括含Cr、Ni、Mo、Ti、La2O3的纳米碳化钨粉末；原料以重量百分比计，包括以下组分：WC粉 70～80％、Cr粉 5～10％、Ni粉 3～10％、Mo粉 3～10％、Ti粉 3～6％、La2O3粉 0.2～1.5％；将各组分粉末球磨混合15～20小时，再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℃，最后将所烧结的粉末进行破碎筛分得到粉末粒度为5～45μm的碳化钨基复合粉末；
所述涂层的厚度为100～400μm，涂层的孔隙率＜0.5％，涂层的显微硬度＞1100HV 0.2，涂层与基体0Cr13Ni5Mo的结合强度≥80MPa，涂层的耐腐蚀能力超过基体0Cr13Ni5Mo，耐磨损能力为基体0Cr13Ni5Mo的60倍以上，耐含沙海水冲刷性能是基体0Cr13Ni5Mo的8倍以上，抗海水汽蚀性能是基体0Cr13Ni5Mo的1.6倍以上。
2.根据权利要求1所述的用于海洋装备的碳化钨基复合涂层，其特征在于，所述纳米碳化钨粉末的粉末粒度为40～90nm，Cr的粉末粒度为1～3μm，Ni的粉末粒度为1～3μm，Mo的粉末粒度为1～3μm，Ti的粉末粒度为1～3μm，La2O3的粉末粒度为50～90nm。
3.根据权利要求1所述的用于海洋装备的碳化钨基复合涂层，其特征在于，所述纳米碳化钨粉末的粉末纯度不低于99.9％，Cr的粉末纯度不低于99.9％，Ni的粉末纯度不低于99.9％，Mo的粉末纯度不低于99.9％，Ti的粉末纯度不低于99.9％，La2O3的粉末纯度不低于99.9％。
4.根据权利要求1所述的碳化钨基复合涂层，其特征在于，所述喷涂工艺为超音速火焰喷涂、爆炸喷涂或大气超音速火焰喷涂。
5.如权利要求1-4任一项所述的碳化钨基复合涂层的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对Cr粉、Ni粉、Mo粉、Ti粉、La2O3粉及纳米碳化钨粉末进行配料，之后通过喷雾干燥法、烧结、破碎筛分制得碳化钨基复合粉末；
(2)将碳化钨基复合粉末平铺进行烘干，保温温度为60～100℃，烘干时间为2～4小时；
(3)对待喷涂基材的表面进行清洗，之后烘干；
(4)对经过步骤(3)处理之后的待喷涂基材的表面进行喷砂处理；
(5)采用喷涂工艺对经过步骤(3)处理之后的待喷涂基材的表面喷涂碳化钨基复合粉末，以制得碳化钨基复合涂层。
6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述喷砂处理采用空气动力喷砂方法，选用30～50目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3～0.6MPa，喷砂距离为100～200mm，喷砂角度为60～90°。
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