CN115505927A - 一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用，属于陶瓷复合涂层及金属材料表面处理技术领域。本发明陶瓷复合涂层制备原料包括：合金镀液、陶瓷粉料、铁基纳米合金粉末、环氧混合料；其中，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂20‑25份、钙基膨润土8‑15份、氮化硅3‑5份、氮化钛2‑5份、硅酸锆1.75‑2.5份、碳化钨1.5‑4份；所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr 10.4％‑11.8％、Co 3.7％‑9.5％、Ni8.2％‑10.0％、W 2.6％‑3.6％、Si 7.2％‑8.0％、Al 4.4％‑6.0％、Ti 4％‑6.2％、B1.5％‑2.4％、C 2.8％‑4％、RE 0.05％‑0.1％，余量为Fe；所述环氧混合料包括环氧树脂、聚酰亚胺微球、硅粉。本发明陶瓷复合涂层不仅与叶片基材具有高的结合强度并且能够为基材表面提供出色的抗冲击性能与抗腐蚀性能，能够有效延长转轮叶片的使用周期。

Description

一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于陶瓷复合涂层及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用。
背景技术
水轮机是一种把水流能量转换为旋转机械能的动力机械，水轮机是水力发电必不可少的重要组成部分，是充分利用清洁可再生能源实现节能减排的重要设备，而水轮机转轮是将水能转换为机械能的关键部件。
与此同时，水轮机转轮也是水轮机中最容易受到损害的部位之一，水轮机转轮的轮毂与叶片是整个转轮的力学薄弱区，在水轮机机组运行中非常容易产生空蚀和裂纹等缺陷。当水轮机转轮内压力分布不均匀如转轮相对下游水位位置过高，高速水流流经低压区时，易于达到气化压力而产生气泡，当水流流至高压区时，由于压力增大，气泡凝结，水流质点以高速度向气泡中心撞击，以填充凝结产生的空隙，从而产生极大的水力冲击和电化学作用，使叶片受到剥蚀产生麻点及蜂窝性孔隙，甚至穿透形成孔洞；另外，水轮机运行过程中还会因水力自激振动引发交变荷载，交变荷载循环作用于叶片上导致叶片局部出现永久性损伤，随循环次数的增加损伤进一步扩大最终产生裂纹。作为水轮机中关键的组成部件，水轮机转轮的使用性能直接关系到水轮机机组的运行稳定性及寿命，解决水轮机转轮叶片容易产生空蚀、裂纹的问题已成为保证水轮机机组正常运行的关键。
针对上述缺陷，目前我国主要采用低碳马氏体不锈钢作为水轮机转轮的主要材料，以及在其表面采用堆焊、淬火等工艺方法制备保护涂层以增加转轮叶片的力学性能。然而，在实际运行过程中，人们发现此类保护涂层硬度或机械强度等性能仍存在不足，对转轮叶片基体材料的保护作用有限；另外此类保护涂层与转轮叶片基体材料的结合力较弱，在后续较短时间服役后局部即容易出现疲劳甚至脱落的现象，致使水轮机转轮的使用周期仍无法显著延长。
有鉴于此，需要研发设计一种更好的工艺手段对水轮机转轮叶片进行处理使其能够满足水轮机长时间的运行工作要求。
发明内容
针对目前水轮机转轮叶片所采用的低碳马氏体不锈钢及常规表面处理仍无法满足水轮机工作条件的问题，本发明的目的在于提供一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用，旨在为水轮机转轮叶片基体材料提供更全面长效的保护作用，同时，本发明陶瓷复合涂层与水轮机转轮叶片基体材料结合强度高，能够显著延长水轮机转轮的使用周期。
本发明具体是通过如下技术方案实现的：
本发明提供了一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，所述陶瓷复合涂层包括如下制备原料：合金镀液、陶瓷粉料、铁基纳米合金粉末、环氧混合料；
其中，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂20-25份、钙基膨润土8-15 份、氮化硅3-5份、氮化钛2-5份、硅酸锆1.75-2.5份、碳化钨1.5-4份；
所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr10.4％-11.8％、Co3.7％-9.5％、Ni8.2％-10.0％、W2.6％-3.6％、Si7.2％-8.0％、Al4.4％-6.0％、 Ti4％-6.2％、B1.5％-2.4％、C2.8％-4％、RE0.05％-0.1％，余量为Fe；
所述环氧混合料包括环氧树脂、聚酰亚胺微球、硅粉。
进一步地，所述合金镀液为双金属镍-钨合金电刷镀液。
本发明首先采用电刷镀对转轮叶片进行表面改性。相较于堆焊或电镀，电刷镀具有操作方便灵活、镀层形成速度快且均匀可控的优点，对于各类形状尺寸的转轮叶片具有更为明显的适用性。本发明选用双金属镍-钨合金镀液进行电刷镀，镍具有良好的化学稳定性及抗氧化性，钨则能够加强所制镀层与本发明后续制备的金属陶瓷层的结合强度；本发明制备的镍-钨双金属电刷镀层与常规转轮叶片基材具有很高的结合力，硬度高、镀覆氢脆性小、镀层晶粒细小，具有良好的抛光性。本发明还配制了一种铁基纳米合金粉末与一种陶瓷粉料，二者经等离子高温重熔、喷涂能够形成低熔点共晶，从而大幅度提高涂层的耐磨、耐高温、抗腐蚀性能，配合含有聚酰亚胺微球及硅粉的有机环氧涂层最终形成一种性能优异的陶瓷复合涂层，其能够满足水轮机转轮叶片多方面的性能要求。
进一步地，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂22份、钙基膨润土11 份、氮化硅4.2份、氮化钛3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份。
进一步地，所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr 11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、B1.9％、C 3.3％、RE0.08％，余量为Fe。
进一步地，环氧混合料中环氧树脂、聚酰亚胺微球、硅粉的质量比为 20:3:1.5；所述环氧树脂为环氧树脂E-51，所述聚酰亚胺微球、硅粉的粒径均为0.1-10μm。
本发明还提供了所述水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)在转轮叶片表面进行电净活化，处理后接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，制得镀层后抛光；
2)将陶瓷粉料与铁基纳米合金粉末混合球磨得到混合粉末，取该混合粉末通过等离子喷涂在步骤1)抛光后的工件表面制备金属陶瓷层，随后抛光；
3)取环氧混合料与活性稀释剂、固化剂混匀，所得混合物在步骤2)金属陶瓷层表面通过涂覆热压形成有机环氧涂层，完全固化后即得表面制有陶瓷复合涂层的叶片。
进一步地，步骤1)中电刷镀的工艺参数为：工作电压12-18V、相对运动速度0.12-0.20m/s。
进一步地，步骤1)所制镀层厚度为0.5-0.6mm。
进一步地，步骤2)陶瓷粉料与铁基纳米合金粉末混合的质量比为120: (17-25)。
进一步地，经步骤1)、2)处理后工件表面涂层总厚度为1.6-2.0mm。
进一步地，步骤3)环氧混合料与活性稀释剂、固化剂的质量比为10:3:4；所述活性稀释剂为二甲亚砜、固化剂为DETA。
进一步地，步骤3)所述涂覆热压的温度为60℃、压力为2.5kg/cm2。
进一步地，所述方法最终制备的陶瓷复合涂层厚度为2.2-2.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明工艺方法先以双金属镍-钨合金电刷镀改性转轮叶片表面，以所得镀层为过渡层为基体与后续复合涂层提供足够的结合力，进一步混合所述陶瓷粉料与铁基纳米合金粉末，采用等离子喷涂制备金属陶瓷层，配合含有聚酰亚胺微球及硅粉的有机环氧涂层最终形成一种性能优异的陶瓷复合涂层。本发明陶瓷复合涂层采用过渡层-金属陶瓷层-有机层的结构，显著增强了叶片基材与金属陶瓷材料的结合强度且为基材表面提供了出色的抗冲击性能与抗腐蚀性能，有效解决了常规保护涂层较短时间服役后即容易出现空蚀、裂纹等缺陷，能够有效延长转轮叶片的使用周期，保证了水轮机机组的正常运行。
附图说明
图1为维氏硬度参数测量示意图。
图2为开裂韧性参数测量示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非用于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、 B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚1.8mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.3mm陶瓷复合涂层的叶片。
对本实施例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
1)硬度：考虑到陶瓷复合涂层硬度较高，本发明采用小负荷维氏硬度试验，试验力范围(N)为1.961≤F＜49.03。采用的压头是两相对面间夹角为136°的金刚石正四棱锥体。压头在选定的试验力F作用下，压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。在试样表面压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕对角线长度d，用压痕对角线平均值计算压痕的表面积。维氏硬度值是试验力F 除以压痕表面积所得的商，用符号HV表示。
维氏硬度计算公式；
Figure RE-GDA0003915392860000061
F——试验力(29.42N)
d——两压痕对角线长度d1和d2的算术平均值
具体参数测量如图1所示。
Figure RE-GDA0003915392860000062
2)开裂韧性：开裂韧性测试采用维氏压痕法，采用Wilshaw公式计算样品涂层的开裂韧性，取5个测量点的平均值。
Figure RE-GDA0003915392860000071
式中：P为载荷，单位N；a为压痕对角线长度的一半，单位μm；c为压痕中心至裂纹末端的距离，单位μm。
具体参数测量如图2所示。
Figure RE-GDA0003915392860000072
3)抗腐蚀试验：选用液态浸渍法中的静态全浸式进行腐蚀试验，20℃中性盐腐蚀条件下测得的腐蚀速度为0.006mg·dm2·d(GB 10124-1988《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》)。
4)模拟空蚀试验：采用模拟空蚀实验装置进行实验室空蚀测试。振动空蚀试验设备主要由超声波发生器、换能器及变幅杆三部分组成。空蚀试样安装在变幅杆下端，一部分浸入在试验介质中，当变幅杆与试样向上运动时，在试验底部液体中将出现低压区，导致空泡成核、长大；当变幅杆与试样向下运动时，由于液体内压力增加造成空泡破裂，从而使试样表面产生空蚀。在模拟空蚀240 min后其质量累计损失为8.69mg、体积损失1.35cm3。
实施例2
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压12V、相对运动速度0.18m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.52mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、 B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚1.8mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.3mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本实施例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为537；开裂韧性KC平均值为1.21MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.005mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为8.77mg、体积损失1.39cm3。
实施例3
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:17混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚2.0mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.3mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本实施例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为543；开裂韧性KC平均值为1.24MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.006mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为8.82mg、体积损失1.41cm3。
实施例4
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅3份、氮化钛3 份、硅酸锆2.5份、碳化钨3.5份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W2.6％、Si7.2％、Al4.6％、Ti5.5％、 B2.4％、C4％、RE0.1％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚1.8mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.3mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本实施例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为524；开裂韧性KC平均值为1.19MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.007mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为8.63mg、体积损失1.32cm3。
实施例5
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、 B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚2.0mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.75h形成有机环氧涂层，65℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.5mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本实施例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为514；开裂韧性KC平均值为1.18MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.007mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为8.98mg、体积损失1.47cm3。
对比例1
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为 Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、B1.9％、 C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到叶片基材表面，抛光得到表面涂层厚度1.25mm的半成品工件。
2、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度1.75mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本对比例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为526；开裂韧性KC平均值为1.21MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.007mg·dm2·d；模拟空蚀150min后涂层出现剥落。
对比例2
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、 Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚1.8 mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.3mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本对比例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为429；开裂韧性KC平均值为0.76MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.009mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为10.24mg、体积损失1.77cm3。
对比例3
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份配制陶瓷粉料；与钴基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Fe6.8％、 Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Co)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面涂层总厚1.8 mm的半成品工件。
3、按质量比10:3:4将环氧混合料(由环氧树脂E-51、聚酰亚胺微球、硅粉按质量比20:3:1.5混合)、二甲亚砜、DETA混合均匀，所得混合物在半成品工件的金属陶瓷层表面通过涂覆热压(温度60℃、压力2.5kg/cm2)0.5h形成有机环氧涂层，60℃保温完全固化后即得表面制有厚度2.3mm陶瓷复合涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本对比例制备的陶瓷复合涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为382；开裂韧性KC平均值为0.61MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.033mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为16.94mg、体积损失2.26cm3。
对比例4
1、在转轮叶片(材料为ZG06Cr13Ni4Mo)表面进行电净活化处理，然后将其接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，调节工作电压16V、相对运动速度0.15m/s，镀液中金属离子在叶片表面与阳极接触放电结晶、加厚，抛光得到厚度0.55mm的电刷镀层。
2、按重量份数取石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛 3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份配制陶瓷粉料；与铁基纳米合金粉末(元素组成为Cr11.3％、Co6.8％、Ni9.2％、W3.4％、Si7.5％、Al4.6％、Ti5.5％、 B1.9％、C3.3％、RE0.08％，余量为Fe)按质量比120:22混合球磨得到混合粉末，将所得混合粉末由氮气送入等离子射流中熔化加速喷射到电刷镀层表面，抛光得到表面制有厚度2.3mm陶瓷涂层的叶片。
同实施例1检测方法，对本对比例制备的陶瓷涂层性能进行检测：
硬度HV3平均值为511；开裂韧性KC平均值为1.17MPa·m1/2；腐蚀速度为 0.016mg·dm2·d；模拟空蚀质量累计损失为11.32mg、体积损失1.83cm3。
由上述实施例及对比例检测数据可知，本发明采用的过渡层-金属陶瓷层- 有机层的涂层结构，首先解决了涂层材料服役中与叶片基体材料剥落脱离的缺陷，为复合涂层/基体材料提供了强大的结合力，其次金属陶瓷层配合有机层又能够为基体材料提供出色的抗冲击性与抗腐蚀性能，显著提高了叶片基材的抗空蚀性能，能够有效延长转轮叶片使用周期，保证了水轮机机组的正常运行。
以上所描述的实施例仅表达了本发明的几种优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不用于限制本发明。应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种变化和更改，凡在本发明的构思和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，其特征在于，所述陶瓷复合涂层包括如下制备原料：合金镀液、陶瓷粉料、铁基纳米合金粉末、环氧混合料；
其中，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂20-25份、钙基膨润土8-15份、氮化硅3-5份、氮化钛2-5份、硅酸锆1.75-2.5份、碳化钨1.5-4份；
所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr 10.4％-11.8％、Co 3.7％-9.5％、Ni 8.2％-10.0％、W 2.6％-3.6％、Si 7.2％-8.0％、Al 4.4％-6.0％、Ti 4％-6.2％、B 1.5％-2.4％、C 2.8％-4％、RE 0.05％-0.1％，余量为Fe；
所述环氧混合料包括环氧树脂、聚酰亚胺微球、硅粉。
2.根据权利要求1所述一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，其特征在于，所述合金镀液为双金属镍-钨合金电刷镀液。
3.根据权利要求1所述一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，其特征在于，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂22份、钙基膨润土11份、氮化硅4.2份、氮化钛3份、硅酸锆1.95份、碳化钨2.2份。
4.根据权利要求1所述一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，其特征在于，所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr 11.3％、Co 6.8％、Ni 9.2％、W 3.4％、Si7.5％、Al 4.6％、Ti 5.5％、B 1.9％、C 3.3％、RE 0.08％，余量为Fe。
5.根据权利要求1所述一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，其特征在于，环氧混合料中环氧树脂、聚酰亚胺微球、硅粉的质量比为20:3:1.5；所述环氧树脂为环氧树脂E-51，所述聚酰亚胺微球、硅粉的粒径均为0.1-10μm。
6.如权利要求1-5任一项所述水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在转轮叶片表面进行电净活化，处理后接电源负极，镀笔接电源正极，将包裹双金属镍-钨合金电刷镀液的阳极在叶片表面擦拭，制得镀层后抛光；
2)将陶瓷粉料与铁基纳米合金粉末混合球磨得到混合粉末，取该混合粉末通过等离子喷涂在步骤1)抛光后的工件表面制备金属陶瓷层，随后抛光；
3)取环氧混合料与活性稀释剂、固化剂混匀，所得混合物在步骤2)金属陶瓷层表面通过涂覆热压形成有机环氧涂层，完全固化后即得表面制有陶瓷复合涂层的叶片。
7.根据权利要求6所述水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)陶瓷粉料与铁基纳米合金粉末混合的质量比为120:(17-25)。
8.根据权利要求6所述水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)环氧混合料与活性稀释剂、固化剂的质量比为10:3:4；所述活性稀释剂为二甲亚砜、固化剂为DETA。
9.根据权利要求6所述水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述方法最终制备的陶瓷复合涂层厚度为2.2-2.5mm。
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