CN115772639A - 一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法 Download PDF

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马怀立
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桑杰才让
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石玉成
赵永军
刘琎
陈光文
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Abstract

针对青铜峡水电站过流部件空蚀、磨蚀问题，本发明公开了一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法。高熵合金/陶瓷复合涂层粉末以质量百分比计，其组成为WC粉末：余量、Fe粉末：6.5～10.4％、Cr粉末：4.1～6.2％粉末：Ni粉末：2.6～5.0％、Al粉末：0.8～1.7％，Ti粉末：0.8～1.7％。以该配方为原料，通过大气超音速喷涂制备在需要解决空蚀、磨蚀问题的工件表面，最终形成0.1～0.4mm的涂层。本发明涂层致密均匀，孔隙率在0.5％以下；显微硬度800～1300HV0.2；基体与涂层结合强度在75～89MPa；在相同的空蚀测试参数下，涂层抗空蚀性能是基体的4～8倍；在相同的磨蚀测试参数下，涂层的抗磨蚀性能是基体的12～14.5倍。本发明的制备方法工艺可靠，性能稳定，可以有效解决水轮机、水泵等过流部件的空蚀、磨蚀问题。

Description

一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法，尤其涉及一种大气超音速喷涂制备方法，适合在水轮机、水泵等水力装备的过流部件上应用。
背景技术
水轮机空化气蚀、颗粒磨蚀一直是困扰水轮机稳定运行和延长水轮机检修周期的问题。我国是水轮机泥沙磨损最严重的国家，在已运行的水电站中都不同程度地存在着这个问题。青铜峡水利枢纽位于宁夏回族自治区青铜峡市、黄河青铜峡峡口处，是黄河上游龙青段水电梯级开发规划中的最后一级梯级水电站。由于青铜峡水电站处于多泥沙的黄河干流上，运行环境非常恶劣。多年平均输沙量2.2亿t，最大年输沙量5.29亿t，多年平均含沙量9.83kg/m3，最大含沙量431.35kg/m3，泥沙中沙粒径0.015～0.02mm，沙粒组成中石英、长石占40％～90％，颗粒形状棱形和半圆形占70％～90％。电站水轮机在运行一段时间后，水轮机叶片表面在高含沙量水流的冲击下，出现了大面积的磨蚀，并且由于电站受早期基建施工条件的影响，水轮机运行过程中的实际吸出高度不足设计值的50％，大大降低了水轮机空化系数，甚至小于水轮机临界空化系数，水轮机叶片表面出现了空化气蚀，磨蚀、空蚀相互叠加，加剧了叶片表面钢合金材质的损伤，对水轮机运行的稳定性和使用寿命造成了较为严重的影响。
目前国内外解决空蚀防范主要有：提高母材韧性，涂覆有机涂层、渗碳渗氮、表面喷丸纳米化、火焰喷涂等手段来提高水力装备的抗空蚀、抗磨蚀性能。但以上方法解决水力机械的空蚀问题的效果均不佳。
高熵合金具有独特的合金相结构、优异的性能，如高熵合金具有高强度与硬度、良好的耐磨性、良好的塑性和韧性、耐腐蚀性等优点。这为解决水力装备叶片空蚀提供了新思路。本发明中结合FeCrNiAlTi高熵合金和WC陶瓷粉末特性，利用大气超音速喷涂制备出一种新的表面改性技术，具有孔隙低，结合力、抗空蚀、抗磨蚀高等优点，因此利用大气超音速喷涂制备高熵合金/陶瓷复合涂层在解决水力装备空蚀磨蚀方面具有独特的优势。
发明内容
本发明的目的在于针对青铜峡水电站过流部件空蚀、磨蚀问题，提供一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法，尤其是大气超音速喷涂制备涂层的方法。
本发明所采用的技术方案如下：
一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀粉末，以质量百分比计，其成分组成为WC粉末：余量、Fe粉末：6.5～10.4％、Cr粉末：4.1～6.2％粉末：Ni粉末：2.6～5.0％、Al粉末：0.8～1.7％，Ti粉末：0.8～1.7％。
采用上述的配方为原料，由大气超音速喷涂设备制备涂层，获得抗空蚀抗磨蚀涂层。其制备方法包括如下步骤：
步骤1：将Fe粉末、Cr粉末、Ni粉末、Al粉末、Ti粉末、WC粉末按所述比例进行配置，粉末制备方法可采用机械混合法、喷雾干燥法、气雾化法制备。制备的高熵合金/陶瓷复合粉末颗粒尺度为5～35μm；
步骤2：将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，进行烘干，温度为100～120℃，烘干时间为2～4小时；
步骤3：用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并于50～60℃烘干，除去其表面油渍污物；
步骤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°；
步骤5：设置大气超音速喷涂工艺，制备高熵合金/陶瓷复合涂层。
进一步地，所述大气超音速喷涂制备高熵合金/陶瓷复合涂层的厚度为0.10～0.4mm。
进一步地，所述大气超音速喷涂工艺的参数优选为：压缩空气：85～92PSI，丙烷：75～86PSI，氮气流量：20～30slpm，氢气流量：30～40slpm，送粉速率为40～80g/min，喷涂距离170～250mm。
本发明解决了水轮机、泵等过流部件因空蚀、磨蚀问题导致涂层性能下降等问题。本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，不仅适合在淡水环境下的水轮机和水泵等水利机械的过流部件，还适合汽轮机、洋流发电、船舶等海洋设施的过流部件上大规模应用。
本发明的有益效果是：
本发明通过对高熵合金/陶瓷复合粉末组分的选择及涂层制备方法的不断探究，利用大气超音速喷涂制备出了高熵合金/陶瓷复合涂层致密均匀，孔隙率在0.5％以下；显微硬度800～1300HV0.2；基体与涂层结合强度在75～89MPa；在相同的空蚀测试参数下，涂层抗空蚀性能是基体的4～8倍；在相同的磨蚀测试参数下，涂层的抗磨蚀性能是基体的12～14.5倍。此外复合涂层的制备方法工艺可靠，性能稳定，适合水轮机、水泵等抗磨蚀、抗空蚀领域应用推广，尤其适用于高泥沙水流环境中。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例中喷涂基体可采用ZG06Cr13Ni5Mo钢、45钢、Q345钢、或2205不锈钢。
实施例1
(1)按原子比取各组份WC粉末：余量、Fe粉末：7.2％、Cr粉末：6.2％粉末：Ni粉末：4.7％、Al粉末：1.5％，Ti粉末：1.1％，制备出高熵合金/陶瓷复合粉末；
(2)将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为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℃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)大气超音速喷涂工艺参数：压缩空气：85PSI，丙烷：82PSI，氮气流量：23slpm，氢气流量：35slpm，送粉速率为70g/min，喷涂距离240mm；
(6)制备的高熵合金/陶瓷复合涂层厚度为0.32mm，涂层的孔隙率0.37％，显微硬度1164HV0.2；基体与涂层结合强度在81MPa；在相同的空蚀条件下，涂层的抗空蚀性能是基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的7.49倍(涂层的空蚀失重是：0.00071g，基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的空蚀失重是：0.00532g)；抗磨蚀性能是基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的12.05倍(涂层的磨蚀失重是：0.01489g，基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的磨蚀失重是：0.17948g)。
实施例2
(1)按原子比取各组份WC粉末：余量、Fe粉末：6.8％、Cr粉末：5.5％粉末：Ni粉末：4.8％、Al粉末：1.4％，Ti粉末：1.0％，制备出高熵合金/陶瓷复合粉末；
(2)将高熵合金/陶瓷复合粉末粉末分开放置平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为120℃，烘干时间为2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)大气超音速喷涂工艺参数：压缩空气：86PSI，丙烷：81PSI，氮气流量：23slpm，氢气流量：33slpm，送粉速率为60g/min，喷涂距离220mm；
(6)制备的高熵合金/陶瓷复合涂层厚度为0.28mm，涂层的孔隙率0.43％，显微硬度1217HV0.2；基体与涂层结合强度在85MPa；在相同的空蚀条件下，涂层的抗空蚀性能是基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的5.27倍(涂层的空蚀失重是：0.00101g，基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的空蚀失重是：0.00532g)；抗磨蚀性能是基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的12.4倍(涂层的磨蚀失重是：0.01447g，基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的磨蚀失重是：0.17948g)。
实施例3
(1)按原子比取各组份WC粉末：余量、Fe粉末：6.5％、Cr粉末：6.0％粉末：Ni粉末：4.2％、Al粉末：1.2％，Ti粉末：1.0％，制备出高熵合金/陶瓷复合粉末；
(2)将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为2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)大气超音速喷涂工艺参数：压缩空气：88PSI，丙烷：80PSI，氮气流量：25slpm，氢气流量：35slpm，送粉速率为65g/min，喷涂距离210mm；
(6)制备的高熵合金/陶瓷复合涂涂层厚度为0.38mm，涂层的孔隙率0.33％，显微硬度1282HV0.2；基体与涂层结合强度在88MPa；在相同的空蚀条件下，涂层的抗空蚀性能是基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的4.09倍(涂层的空蚀失重是：0.00130g，基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的空蚀失重是：0.00532g)；抗磨蚀性能是基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的13.02倍(涂层的磨蚀失重是：0.01379g，基体ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢的磨蚀失重是：0.17948g)。
以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀粉末，其特征在于，以质量百分比计，其成分组成为：WC粉末：余量、Fe粉末：6.5～10.4％、Cr粉末：4.1～6.2％粉末：Ni粉末：2.6～5.0％、Al粉末：0.8～1.7％，Ti粉末：0.8～1.7％。
2.一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层，其特征在于，该涂层是以如权利要求1所述的粉末配方为原料，由大气超音速喷涂设备制备而成。
3.制备如权利要求2所述的高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将Fe粉末、Cr粉末、Ni粉末、Al粉末、Ti粉末、WC粉末按比例进行配置，制备的高熵合金/陶瓷复合粉末颗粒尺度为5～35μm；
步骤2：将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，烘干，温度为100～120℃，烘干时间为2～4小时；
步骤3：用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并于50～60℃烘干，除去其表面油渍污物；
步骤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°；
步骤5：设置大气超音速喷涂工艺，制备高熵合金/陶瓷复合涂层。
4.根据权利要求3所述的高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层的方法，其特征在于，大气超音速喷涂制备高熵合金/陶瓷复合涂层的厚度为0.10～0.4mm。
5.根据权利要求3所述的高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层的方法，其特征在于，步骤5的大气超音速喷涂工艺参数为：压缩空气：85～92PSI，丙烷：75～86PSI，氮气流量：20～30slpm，氢气流量：30～40slpm，送粉速率为40～80g/min，喷涂距离170～250mm。
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