CN1441084A - 具有耐腐蚀性和耐磨性的涂层材料 - Google Patents

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Abstract

一种涂层材料，具有沉积在基底材料上的第一层和沉积在所述第一层上的第二层。所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在。所述第二层由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成。所述第一层用作防止碳从所述第二层扩散到基底材料的阻挡层，从而防止该基底材料被渗碳。

Description

具有耐腐蚀性和耐磨性的涂层材料
                       技术领域
本发明涉及用于腐蚀环境，如海水或化学物质中的泵或其它设备，更具体地，涉及一种具有耐腐蚀性和耐磨性的涂层材料，适用于泵的部件，所述泵被设计在混有土或沙的海水的条件或产生气蚀的条件下操作，并涉及一种制备这样的具有耐腐蚀性和耐磨性的涂层材料的方法以及具有用这种涂层材料涂敷的部件的泵。
                       背景技术
设计用于在腐蚀环境如海水或化学物质中操作的泵具有主结构部件，如外壳和叶轮，它们与由泵处理的液体接触。在这种情况下，这些主结构部件大多由高度耐腐蚀和相对不昂贵的不锈钢制成。然而，滑动部件，比如衬环部分和轴承部分，以及在所处理的液体中混有固体物质如土和沙的情况下具有高圆周速度的叶轮入口和叶轮的外围部分，以及标尺，需要由一种比不锈钢更耐磨和耐腐蚀的材料制成。在使用泵的情况下，这种材料另外需要具有等于或高于不锈钢的耐腐蚀性。
至今通常使用耐腐蚀的硬质材料来涂敷局部表面，以使所述局部表面耐磨损、气蚀和腐蚀，许多硬质涂层材料现已经在许多情况下达到了满意的结果。典型的硬质材料包括钴基合金(例如，商品名为“STELLITE”的合金)、镍基合金(例如，商品名为“COLMONOY”的合金)。
这些硬质涂层材料通过预先包含在涂层材料中的碳化物和/或当硬质涂层材料被涂敷时，沉淀在涂层中的碳化物而具有硬化功能。因此，硬质涂层材料含有碳是必须的。
当这些涂层材料被涂敷用于形成在基底材料上的涂层时，碳不可避免地从涂层扩散到基底材料中。因此，与涂层材料接触的一部分基底材料变得敏化，其耐腐蚀性大大降低。如果产品在实际中长时间使用，从与涂层接触的部分基底材料开始腐蚀，导致涂层与基底材料分离。
为了防止产品受到这些腐蚀破坏，必须使涂层和基底材料之间的界面免于暴露。常规的措施是使用一种结构设计来避免涂层和基底材料之间的界面暴露，或采用一种方法来覆盖涂层和基底材料的界面。然而，这些尝试有技术上的困难和经济上的缺点，并缺乏长期可靠性。
如上所述，硬质涂层材料，比如钴基合金和镍基合金，需要含有碳来产生硬度。当硬质材料作为涂层沉积在基底材料上时，碳不可避免地从涂层扩散到基底材料上。结果，与涂层接触的一部分基底材料在涂层材料沉积后的一个冷却过程中变得敏化。具体地说，碳化铬沉积在晶粒间界上，从而降低了靠近晶粒间界的铬浓度。因此，与涂层接触的一部分基底材料比基底材料本身的耐腐蚀性降低。如果产品在实际中长期使用，从与涂层接触的基底材料的部分开始腐蚀。
附图中的图4显示了一种传统硬质材料的局部横截面图，所述硬质材料比如是钴基合金或镍基合金(例如商品名为STELLITE的合金或商品名为COLMONOY的合金)，所述硬质材料通过覆盖以涂层1沉积在基底材料2上。在图4中，碳化铬4沉淀于与涂层1接触的部分基底材料2中的晶粒间界内。当在其上具有涂层1的基底材料2长时间暴露于大气环境中时，在基底材料2的表面层内形成敏化层3，使得敏化层3局部腐蚀，并使涂层1最后剥离。
                       发明概述
因此，本发明的目的是提供一种具有耐腐蚀性和耐磨性的用于泵的部件上的涂层材料，所述泵用于在腐蚀环境下操作，比如海水或化学物质中，具体地，在混有土和沙的海水的条件或产生气蚀的条件下使用，本发明还提供了一种方法，用于制备具有耐腐蚀性和耐磨性的涂层材料，以及提供具有被这种涂层材料涂敷的部件的泵。
为了达到上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种涂层材料，其包含：适于沉积在基底材料上的第一层，所述所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在；和沉积在第一层上的第二层，所述第二层是由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成，所述第一层用作防止碳从第二层扩散到基底材料的阻挡层，从而防止基底材料被渗碳。
在本发明的一个优选方面，所述碳化物赋予第二层以硬度。
在本发明的一个优选方面，所述金属组分赋予第二层以耐腐蚀性。
在本发明的一个优选方面，第一层由含有Cr、Mo、Si和B中的至少一种、以及由Ni和不可避免的杂质组成的剩余物的Ni-Cr-Mo合金制成。
在本发明的一个优选方面，当第一层沉积在基底材料上时，Ni-Cr-Mo合金防止基底材料被渗碳。
在本发明的一个优选方面，第一层由含有Cr、Mo、Si和B中的至少一种、以及由Co和不可避免的杂质组成的剩余物的Co-Cr-Mo合金制成。
在本发明的一个优选方面，当第一层沉积在基底材料上时，Co-Cr-Mo合金防止基底材料被渗碳。
在本发明的一个优选方面，第二层由钴基合金或镍基合金制成。
在本发明的一个优选方面，钴基合金或镍基合金可通过碳化物赋予第二层以硬度，所述碳化物为预先包含在涂层材料中的碳化物、当第二层沉积在第一层上时，在预先包含在涂层材料中的碳化物与涂层材料的其它组分熔化后新近沉淀的碳化物、或当第二层沉积在第一层上时，沉淀于第二层内的碳化物。
按照本发明的第二方面，提供了一种泵组件，包括：用涂层材料涂布的泵部件，所述涂层材料包括：适于在基底材料上沉积的第一层，所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在；和沉积在所述第一层上的第二层，所述第二层由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成，所述第一层用作防止碳从所述第二层扩散到基底材料的阻挡层，以防止基底材料被渗碳。
按照本发明的第三方面，提供了一种制备涂层材料的方法，包括：在基底材料上沉积第一层，所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在；和在所述第一层上沉积第二层，所述第二层由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成，所述第一层用作防止碳从所述第二层扩散到基底材料的阻挡层，以防止基底材料被渗碳。
在本发明的一个优选方面，第一层通过覆盖的方法，使用镍基合金或钴基合金的粉末或焊条形式沉积，所述第二层通过一种自熔融合金喷涂法沉积，所述喷涂法用于热喷涂硬质材料的粉末，或涂敷硬质材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化该硬质材料。
在本发明的一个优选方面，第一层通过自熔融合金喷涂法沉积，所述喷涂法用于热喷涂镍基合金或钴基合金的粉末，或涂敷镍基合金或钴基合金的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化镍基合金或钴基合金，第二层通过自熔融合金喷涂法沉积，所述喷涂法用于热喷涂硬质材料的粉末，或涂敷硬质材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化该硬质材料。
第二层由钴基合金或镍基合金制成，所述合金由通过预先含于涂层材料内的碳化物，或当第二层沉积在第一层上时沉淀于第二层内的碳化物，而赋予第二层以硬度。
第一层需要沉积在基底材料上，以使得在第一层和基底材料之间的界面和第一层内不形成会引起缝隙腐蚀的孔穴。第一层可通过覆盖法沉积，按照等离子传递电弧焊接法使用其材料的粉末形式；也可通过覆盖法沉积，按照TIG(钨极隋性气体)焊接法使用其材料的焊条形式；或通过自熔融合金喷涂法沉积，所述喷涂法用于热喷涂粉末材料或涂敷其材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化所述材料。第二层可通过一种通常用于沉积普通硬质材料的方法沉积，或通过覆盖法或自熔融合金喷涂法沉积。
本发明的上述和其它的目的、特征和优点将通过下面的参照附图的描述，以实施例的方式说明本发明的优选实施方案而变得明显。
                       附图简述
图1是一个具有按照本发明的硬质涂层材料的基底材料的局部横截面图；
图2是一个具有按照本发明的硬质涂层材料的轴承装置的局部横截面图；
图3是一个包含按照本发明的硬质涂层材料的活动叶片的透视图；
图4是具有传统硬质涂层材料的基底材料的局部横截面图。
                   优选实施方案详述
接下来，将参照图1-3描述一种按照本发明的一个实施方案的具有耐腐蚀性和耐磨性的涂层材料。
如图1所示，基底材料2在其上沉积有硬质涂层。所述硬质涂层含有沉积在基底材料2上的第一层5和沉积在第一层5上的第二层6。第一层5由抗缝隙腐蚀的Ni-Co-Mo合金或Co-Cr-Mo合金制成。所述Ni-Co-Mo合金包含含有Cr、Mo、Si和B中至少一种、以及由Ni和不可避免杂质组成的剩余物的合金。所述Co-Cr-Mo合金包含含有Cr、Mo、Si和B中至少一种、以及由Co和不可避免杂质组成的剩余物的合金。第二层6包含一层通过覆盖法沉积在第一层5上的硬质材料层。第二层6由钴基合金或镍基合金制成，所述合金通过碳化物赋予第二层以硬度，所述碳化物是预先包含于涂层材料内的碳化物、当第二层6沉积时，在预先包含于涂层材料内的碳化物与涂层材料的其它组分熔化后新近沉积的碳化物、或当第二层6沉积时沉淀于涂层内的碳化物。由于第一层5的Ni-Co-Mo合金或Co-Cr-Mo合金仅含有作为不可避免的杂质的碳，没有碳从第二层6扩散到基底材料2中。在与第一层5接触的部分基底材料2中，碳化铬不像常规技术那样沉淀于晶粒间界中。因此，即使当图1中所示的产品暴露于一个腐蚀环境如海水中很长时间，与含有第一层5和第二层6的涂层接触的基底材料2的部分不会被侵蚀。
当第二层6沉积在第一层5上时，碳从第二层6扩散到第一层5。然而，因为第一层5由Ni-Co-Mo合金或Co-Cr-Mo合金制成，第一层5不会产生具有较差耐腐蚀性的敏化区域，这和常规技术不同。
本领域的普通技术人员公知，当硬质材料沉积在基底材料上时，硬质材料通常被基底材料稀释。如果硬质材料直接沉积在一种铁基的基底材料上，比如不锈钢，则硬质材料被在基底材料内所含的铁稀释而使耐腐蚀性降低。然而，按照本发明，因为相对于第二层6作为基底材料的第一层5由Ni-Co-Mo合金或Co-Cr-Mo合金制成，第二层6的耐腐蚀性不会降低，即使它被第一层5的组分稀释。
第二层6的硬质材料的表面具有不被损害的功能。因此，第二层6具有由硬质材料本身提供的耐磨性和耐腐蚀性。然而，如果产品暴露于一个恶劣环境，比如含有高浓度的土和沙的环境或具有强烈气蚀的环境，则可以在产品上涂敷多层硬质材料，常规应用的情况也可如此。
                     实施例1
制备由奥氏体不锈钢SUS304制成并具有外径62mm、内径51mm和长度65mm的圆筒组件。然后，圆筒组件的外圆周表面用厚度1.5mm的第一层5涂布。第一层5通过等离子传递电弧焊接法由含有30wt％Cr、10wt％Mo、1wt％Si以及由Ni和不可避免杂质组成的剩余物的Ni-Cr-Mo合金粉末形成。然后，第一层5的表层被切削至外径为64.4mm。
此后，第一层5的外圆周表面用厚度1.5mm的第二层6涂布。第二层6通过等离子传递电弧焊接法由钴基合金(商品名为STELLITE21的合金，含有26wt％Cr、5.9wt％Mo、3wt％Ni、1.5wt％Fe、1.1wt％Si、0.25wt％C和由Co组成的剩余物)硬质材料的粉末形成。然后，通过切削法除去第二层6的表层，最后精整圆筒组件的孔和长度，从而形成具有外径66.4mm、内径53mm和长度63mm的圆筒组件，其外圆周表面具有第一和第二层5、6。
在实施例1中，奥氏体不锈钢SUS304用作基底材料2。然而，本发明不限于任何基底材料，可使用不同的基底材料，只要它们可用于海水中。在实施例1中，第一和第二层5、6是通过等离子传递电弧焊接法形成。然而，第一和第二层5、6可通过任何方法形成，只要它们不在层和基底材料的界面和在层内产生引起缝隙腐蚀的孔穴。例如，可以使用自熔融合金喷涂法以热喷涂层材料粉末或涂敷层材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量来熔化层材料。然而，等离子传递电弧焊接法或TIG焊接法对涂层的长期可靠性来说是优选的。
在实施例1中，主要由钴组成的钴基合金用作第二层的材料。然而，用作第二层的材料的合金的主成分不限于钴，而可以是任何在海水中耐腐蚀的不同材料。例如，用作第二层的材料的合金的主成分可以是和钴具有相同耐腐蚀性的镍。
图2为局部横截面图，显示了包括用作轴承座套的按照实施例1的圆筒组件的轴承装置以及相关的组合SiC轴承。具体地，如图2所示，轴承装置包括一个圆筒轴套10、包含按照实施例1的圆筒组件和作为实施例1的双层涂层的外圆周层8a的轴承座套8和固定于轴承套管11的轴承9。
                      实施例2
图3是显示一个由奥氏体不锈铸钢SCS16制成的活动叶片的透视图。在图3中，活动叶片13具有包括一个受到负压的区域的叶片端。叶片的该负压区域可能会被在某些操作条件下的结构限制引起的气蚀腐蚀破坏。将部位14的材料用磨床除去2mm。研磨部位14的表面用厚度1.5mm的第一层涂布。第一层通过等离子传递电弧焊接法由含有30wt％Cr、10wt％Mo、1wt％Si以及由Ni和不可避免杂质组成的剩余物的Ni-Cr-Mo合金的粉末形成。然后，用切削法除去第一层的表层，形成厚度1mm的第一层。
然后，第一层的表面用厚度1.5mm的第二层涂布。第二层通过等离子传递电弧焊接法由钴基合金(商品名为STELLITE21的合金，含有26wt％Cr、5.9wt％Mo、3wt％Ni、1.5wt％Fe、1.1wt％Si、0.25wt％C和由Co组成的剩余物)的硬质材料的粉末形成。然后，通过切削法除去第二层的表层，形成厚度1mm的第二层，从而形成在部位14上具有双层涂层的活动叶片13。
在实施例2中，奥氏体不锈铸钢SCS16用作基底材料。然而，本发明不限于任何基底材料，可以使用任何基底材料，只要它们可用于海水中。
在实施例2中，第一和第二层通过等离子传递电弧焊接法沉积。然而，第一和第二层可以通过任何方法沉积，只要它们不会在层和基底材料的界面和在层内产生引起缝隙腐蚀的孔穴。例如，可以使用自熔融合金喷涂法，以热喷涂层材料的粉末或涂敷层材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量来熔化层材料。然而，等离子传递电弧焊接法或TIG焊接法对涂层的长期可靠性来说是优选的。
在实施例2中，主要含有钴的钴基合金用作第二层的材料。但是，用作第二层材料的合金的主成分不限于钴，而可以是任何在海水中耐腐蚀的不同材料。例如，用作第二层的材料的合金的主成分可以是与钴具有相同耐腐蚀性的镍。
按照本发明，在泵中使用的部件可使用按照本发明的硬质涂层制备，这些部件对于由混有处理液体的土和沙引起的磨损具有高度抵抗性，并对在某些操作条件下发生气蚀所引起的腐蚀和侵蚀也具有高度抵抗性。结果，包括这些部件的用于运送含有土和沙的海水的大型泵和在产生气蚀的条件下用于运送海水和化学物质的大型泵对于长期操作保持高度可靠性。
尽管本发明的某些实施方案已被详细显示和描述，但应理解，可以在其中作出不同的变化和改进而不背离所附权利要求的范围。

Claims (23)

1.一种涂层材料，包括：
适于沉积在基底材料上的第一层，所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在；和
沉积在所述第一层上的第二层，所述第二层由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成，所述第一层用作防止碳从所述第二层扩散到基底材料的阻挡层，从而防止基底材料被渗碳。
2.按照权利要求1的涂层材料，其中所述碳化物赋予所述第二层以硬度。
3.按照权利要求1的涂层材料，其中所述金属组分赋予所述第二层以耐腐蚀性。
4.按照权利要求1的涂层材料，其中所述第一层由含有Cr、Mo、Si和B中至少一种、以及由Ni和不可避免的杂质组成的剩余物的Ni-Cr-Mo合金制成。
5.按照权利要求4的涂层材料，其中所述Ni-Cr-Mo合金在所述第一层沉积在所述基底材料上时，防止所述基底材料被渗碳。
6.按照权利要求1的涂层材料，其中所述第一层由含有Cr、Mo、Si和B中至少一种、以及由Co和不可避免的杂质组成的剩余物的Co-Cr-Mo合金制成。
7.按照权利要求6的涂层材料，其中所述Co-Cr-Mo合金在所述第一层沉积在所述基底材料上时，防止所述基底材料被渗碳。
8.按照权利要求1的涂层材料，其中所述第二层由钴基合金或镍基合金制成。
9.按照权利要求8的涂层材料，其中所述钴基合金或所述镍基合金通过碳化物赋予第二层以硬度，所述碳化物为预先包含在涂层材料中的碳化物、当所述第二层沉积在所述第一层上时，在预先包含在涂层材料中的碳化物与涂层材料的其它组分熔化后新近沉淀的碳化物、或当所述第二层沉积在所述第一层上时，沉淀于所述第二层内的碳化物。
10.一个泵组件，包括：
一个涂布有涂层材料的泵部件，所述涂层材料包括：
适于沉积在基底材料上的第一层，所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在；和
沉积在所述第一层上的第二层，所述第二层由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成，所述第一层用作防止碳从所述第二层扩散到基底材料的阻挡层，从而防止基底材料被渗碳。
11.一种制备涂层材料的方法，包括：
在基底材料上沉积第一层，所述第一层由镍基合金或钴基合金制成，其中的碳仅以不可避免的杂质的量存在；和
在所述第一层上沉积第二层，所述第二层由含有碳化物和金属组分的硬质材料制成，所述第一层用作防止碳从所述第二层扩散到基底材料的阻挡层，从而防止基底材料被渗碳。
12.按照权利要求11的方法，其中所述碳化物赋予所述第二层以硬度。
13.按照权利要求11的方法，其中所述金属组分赋予所述第二层以耐腐蚀性。
14.按照权利要求11的方法，其中所述第一层由含有Cr、Mo、Si和B中至少一种、以及由Ni和不可避免的杂质组成的剩余物的Ni-Cr-Mo合金制成。
15.按照权利要求14的方法，其中所述Ni-Cr-Mo合金在所述第一层沉积在所述基底材料上时防止基底材料被渗碳。
16.按照权利要求11的方法，其中所述第一层由含有Cr、Mo、Si和B中至少一种、以及由Co和不可避免的杂质组成的剩余物的Co-Cr-Mo合金制成。
17.按照权利要求16的方法，其中所述Co-Cr-Mo合金在所述第一层沉积在所述基底材料上时防止基底材料被渗碳。
18.按照权利要求11的方法，其中所述第二层由钴基合金或镍基合金制成。
19.如权利要求18的方法，其中所述钴基合金或镍基合金通过碳化物赋予所述第二层以硬度，所述碳化物为预先包含在涂层材料中的碳化物、当所述第二层沉积在所述第一层上时，在预先包含在涂层材料中的碳化物与涂层材料的其它组分熔化后新近沉淀的碳化物、或当所述第二层沉积在所述第一层上时，沉淀于所述第二层上的碳化物。
20.如权利要求11的方法，其中所述第一层通过覆盖法使用所述镍基合金或所述钴基合金的粉末或焊条而沉积。
21.如权利要求11的方法，其中所述第二层通过覆盖法使用所述硬质材料的粉末或焊条而沉积。
22.如权利要求11的方法，其中所述第一层通过覆盖法使用所述镍基合金或所述钴基合金的粉末或焊条而沉积，所述第二层通过自熔融合金喷涂法沉积，所述自熔融合金喷涂法用于热喷涂所述硬质材料的粉末或涂敷所述硬质材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化该硬质材料。
23.按照权利要求11的方法，其中所述第一层通过自熔融合金喷涂法沉积，所述自熔融合金喷涂法用于热喷涂所述镍基合金或所述钴基合金的粉末，或涂敷所述镍基合金或所述钴基合金的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化所述镍基合金或所述钴基合金，所述第二层通过自熔融合金喷涂法沉积，所述自熔融合金喷涂法用于热喷涂所述硬质材料的粉末，或涂敷所述硬质材料的粉末和有机粘合剂的混合物，然后用热量熔化该硬质材料。
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