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CN101298654A - 一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法 Download PDF

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CN101298654A CNA2008101158411A CN200810115841A CN101298654A CN 101298654 A CN101298654 A CN 101298654A CN A2008101158411 A CNA2008101158411 A CN A2008101158411A CN 200810115841 A CN200810115841 A CN 200810115841A CN 101298654 A CN101298654 A CN 101298654A
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Abstract

本发明属于热喷涂领域,特别涉及一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法。首先将Co或Ni包碳化物或氧化物陶瓷加入到药芯中,和具有非晶形成成分的铁基合金一起制备成药芯丝材作为喷涂材料,采用电弧喷涂方法将药芯丝材熔化并雾化成熔滴后沉积在基体上,制备出含有陶瓷相结构的铁基非晶纳米晶复合涂层,涂层结合强度高,有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等性能,显著延长基体使用寿命,可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上。

Description

一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于热喷涂领域,特别涉及一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法。
背景技术
材料的失效多发生于表面,磨损和腐蚀是材料或机械零部件在使用过程中失效的最普遍形式,每年给国民经济造成巨大的损失。表面工程技术是提高材料表面性能的重要途径,其中热喷涂技术是最重要的技术之一。通过热喷涂可以在材料表面沉积一层金属或金属陶瓷涂层,使其具有耐磨损、防腐蚀、抗氧化等性能,从而对基体材料起到保护作用。当前工业技术的高度发展,对热喷涂层的性能提出了更高的要求,针对恶劣环境下(比如,火力发电机组的燃煤锅炉管壁承受高温、高压、烟气腐蚀,水电站的水轮机叶片承受砂石磨损和气蚀等)耐腐蚀、耐磨损涂层的应用开发成为热喷涂领域的研究重点。
现有的技术中,陶瓷材料是一类重要的耐高温腐蚀、氧化和磨损热喷涂材料。热喷涂陶瓷或金属陶瓷复合涂层,主要是氧化物和碳化物陶瓷及它们与金属的复合涂层,因其具有优良的耐磨性和优异的高温性能,尤其是耐冲蚀性能,可以有效地减轻热腐蚀和烟气冲蚀磨损,在许多场合得到应用。然而,单一的陶瓷涂层因为具有较高的孔隙率、较低的断裂韧性以及和基体金属材料存在较大的热膨胀系数差异,应用受到限制;金属陶瓷复合涂层,如Cr3C2-(NiCr),WC-Co等金属陶瓷复合涂层可以得到较高的涂层质量和良好的涂层性能,应用比较广泛,如Cr3C2-(NiCr)涂层应用在锅炉管道的高温冲蚀防护上,缺点是材料成本高,主要采用等离子喷涂或高速火焰喷涂,工艺复杂,施工成本高且现场施工不便。
铁基非晶、纳米晶合金涂层是一种新型的热喷涂涂层,因其具有耐磨损、耐腐蚀等综合性能,并且成本相对低廉,近年来得到广泛研究,比如国内外正在研究其替代45CT应用在锅炉“四管”防护上。早期主要采用等离子喷涂和高速火焰喷涂技术制备非晶、纳米晶涂层,在施工便利性和施工成本方面存在不足,目前已经开始研究采用电弧喷涂技术制备非晶、纳米晶涂层,如CN200610114516.4就提供了一种铁基非晶、纳米晶涂层的制备方法。相较陶瓷或金属陶瓷复合涂层而言,铁基非晶、纳米晶涂层优点是耐蚀性能较好、结合强度高、成本低,不过硬度不及前者高,在耐磨粒、滑动或冲蚀性能上也不及一些陶瓷或金属陶瓷复合涂层。
发明内容
本发明的目的就是提供一种结合强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化性能好、使用寿命长、成本低的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法。
根据上述目的,本发明整体的技术方案为:
采用铁基非晶、纳米晶作为陶瓷相的支撑基体,并使用电弧喷涂制备涂层,将可以发挥非晶、纳米晶基体相和陶瓷硬质相各自的优点,能大幅提高金属在严重的腐蚀磨损中的使用性能,延长使用寿命。
首先将Co或Ni包碳化物或氧化物陶瓷加入到药芯中,和具有非晶形成成分的铁基合金一起制备成药芯丝材作为喷涂材料,采用电弧喷涂方法将药芯丝材熔化并雾化成熔滴后沉积在基体上,制备出含有陶瓷相结构的铁基非晶纳米晶复合涂层,涂层结合强度高,铁基非晶纳米晶基体上分布着硬质陶瓷相,有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等性能,显著延长基体使用寿命,可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上。
根据上述目的和整体技术方案,本发明具体的技术方案为:
喷涂材料是由药皮和药芯组成的药芯丝材,其总成分重量百分比为:Cr13~25%,Mn 0.2~5%,B 0.2~5%,C 0.05~1%,Si 0.1~0.5%,Mo 0.5~5%,W 0.5~6%,及药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末5~10%,或者含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末6~12%,其余为Fe。
药芯丝材药皮采用含碳量≤0.04%、含铬量约为16~17%的铬钢带,具有成分X1;药芯为配制的金属、合金和陶瓷等组成的混合粉末,成分为X2,药皮和药芯的总成分X在上述成分范围内。
上述碳化物为WC、TiC、Cr3C2中的任一种;氧化物为Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2中的任一种。
药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为微米级,粒径为38μm~150μm。
或药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为纳米级,原始尺寸为30~100nm,造粒后粒径为38μm~150μm。
或药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为微米级,粒径为38μm~150μm。
或药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为纳米级,原始尺寸为30~100nm,造粒后粒径为38μm~150μm。
上述含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法,采用电弧喷涂技术制备涂层,制备方法是采用双丝电弧喷涂设备进行喷涂,将药芯丝材熔化以后利用压缩空气雾化成液滴加速沉积在基体上,利用基体的快速冷却作用直接形成非晶纳米晶结构,未完全熔化的陶瓷粒子弥散分布在非晶纳米晶结构基体上,制备工艺参数为:电弧电压28~34V,工作电流190~250A,雾化气体压力0.6~0.8MPa,喷涂距离150~200mm。
与现有技术相比,本发明在药芯中加入金属包陶瓷粉末,并制备成药芯丝材,采用电弧喷涂喷涂后,可以形成含陶瓷相的铁基非晶纳米晶结构复合涂层,涂层结合强度高,有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等性能,显著延长基体使用寿命,可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上。
附图说明
图1是实施例2的涂层表面XRD衍射图谱。
图2是实施例2的涂层TEM图像。
图3是实施例2的涂层DSC曲线。
图4是实施例2的涂层硬度分布图。
图5是实施例2的涂层阳极极化曲线。
具体实施方式
1.选择的成分重量百分比为Cr 16.99%,Mo 1.98%,W 3.80%,Mn 0.38%,B 3.10%,C 0.80%,Si 0.43%,药芯中Co包WC粉末重量占总重5.20%,余量为Fe,将上述成分制备成药芯丝材,其药皮和药芯的总的成分满足上述成分,药芯中Co包WC粉末粒度为44μm~124μm,其它粉末粒度为26μm~150μm之间,药芯重量占37.07%,电弧喷涂工艺参数为:电弧电压34V,工作电流约200A,雾化气体压力0.7MPa,喷涂距离200mm。喷涂层与基体结合强度在46MPa以上,显微维氏硬度大于900HV0.3kg,具有硬度高、耐磨性好、耐冲蚀性好等特点,适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高温磨损。
2.选择的成分重量百分比为Cr 17.10%,Mo 1.20%,W 1.20%,Mn 0.38%,B 3.10%,C 0.60%,Si 0.40%,药芯中Ni包Cr3C2粉末重量占总重9.50%,余量为Fe,将上述成分制备成药芯丝材,其药皮和药芯的总的成分满足上述成分,药芯中Ni包Cr3C2粉末粒度为38μm~74μm,其它粉末粒度为26μm~150μm之间,药芯重量占36.71%,电弧喷涂工艺参数为:电弧电压32V,工作电流约180A,雾化气体压力0.7MPa,喷涂距离200mm。喷涂层与基体结合强度在45MPa以上,显微维氏硬度大于950HV0.3kg,具有硬度高、耐磨性好、耐冲蚀性好等特点,适用于燃煤电厂锅炉“四管”温度高于550℃部位耐高温磨损。
3.选择的成分重量百分比为Cr 20.60%,Mo 1.20%,W 1.10%,Mn 1.02%,B 2.95%,C 0.55%,Si 0.60%,药芯中Co包TiC粉末重量占总重7.30%,余量为Fe,将上述成分制备成药芯丝材,其药皮和药芯的总的成分满足上述成分,药芯中Co包TiC粉末为纳米粉末,原始尺寸为30~100nm,造粒后粒度为38μm~150μm,其它粉末粒度为26μm~150μm之间,药芯重量占38.29%,电弧喷涂工艺参数为:电弧电压30V,工作电流约180A,雾化气体压力0.7MPa,喷涂距离200mm。喷涂层与基体结合强度在50MPa以上,显微维氏硬度大于1000HV0.3kg,具有硬度高、耐磨性好、耐冲蚀性好、耐冲击性好等特点,适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高温磨损和水轮机叶片耐泥沙磨损。
4.选择的成分重量百分比为Cr 19.20%,Mo 2.03%,W 1.90%,Mn 0.60%,B 3.01%,C 0.73%,Si 0.40%,药芯中Ni包ZrO2粉末重量占总重6.10%,余量为Fe,将上述成分制备成药芯丝材,其药皮和药芯的总的成分满足上述成分,药芯中Ni包ZrO2粉末粒度为53μm~104μm,其它粉末粒度为26μm~150μm之间,药芯重量占37.97%,电弧喷涂工艺参数为:电弧电压30V,工作电流约190A,雾化气体压力0.7MPa,喷涂距离150mm。喷涂层与基体结合强度在40MPa以上,显微维氏硬度大于1000HV0.3kg,具有硬度高、耐磨性好、耐高温氧化性好等特点,适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高温磨损。
5.选择的成分重量百分比为Cr 16.10%,Mo 3.03%,W 3.90%,Mn 0.60%,B 2.81%,C 0.73%,Si 0.40%,药芯中Ni包Cr2O3粉末重量占总重7.70%,余量为Fe,将上述成分制备成药芯丝材,其药皮和药芯的总的成分满足上述成分,药芯中Ni包Cr2O3粉末粒度为38μm~150μm,其它粉末粒度为26μm~150μm之间,药芯重量占39.49%,电弧喷涂工艺参数为:电弧电压32V,工作电流约190A,雾化气体压力0.7MPa,喷涂距离150mm。喷涂层与基体结合强度在40MPa以上,显微维氏硬度大于1000HV0.3kg,具有硬度高、耐磨性好、耐高温氧化性好等特点,适用于燃煤电厂锅炉“四管”温度高于550℃部位耐高温磨损。
6.选择的成分重量百分比为Cr 18.10%,Mo 1.03%,W 1.00%,Mn 0.60%,B 2.81%,C 0.63%,Si 0.40%,药芯中Co包Al2O3粉末重量占总重11.20%,余量为Fe,将上述成分制备成药芯丝材,其药皮和药芯的总的成分满足上述成分,药芯中Co包Al2O3粉末为纳米粉末,原始尺寸为30~100nm,造粒后粒度为38μm~150μm,其它粉末粒度为26μm~150μm之间,药芯重量占38.06%,电弧喷涂工艺参数为:电弧电压32V,工作电流约180A,雾化气体压力0.7MPa,喷涂距离150mm。喷涂层与基体结合强度在40MPa以上,显微维氏硬度大于1000HV0.3kg,具有硬度高、耐磨性好、耐高温氧化性好等特点,适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高温磨损和水轮机叶片耐泥沙磨损。
图1是实施例2的涂层XRD衍射图谱,存在明显的晶化峰,经分析晶化产物主要为α-Fe(Cr)和Cr3C2,存在明显的宽化现象。
图2是实施例2的涂层TEM形貌,涂层是晶态和非晶态的的混合组织,纳米晶弥散分布在非晶相中,纳米晶相尺寸约为100-250nm,视场中未见微米级晶相,可见Ni包Cr3C2粉末在喷涂中存在熔化过程,未完全熔化的以亚微米级甚至纳米级晶相存在。
图3是实施例2的涂层DSC曲线,可见曲线上存在两个放热峰,在564℃左右有一个特别明显的放热峰,表明涂层发生了非晶态向晶态的转化,开始晶化温度在541℃左右;在817℃附近还有一个放热峰,说明在这一温度残余非晶相发生了二次晶化。说明本发明所制备的涂层在541℃具有很好的热稳定性。
图4是实施例2的涂层在加载100g、加载时间10s条件下测得的涂层显微硬度分布曲线,可见涂层的硬度很高且分布比较均匀,其显微硬度HV0.1在1000~1400范围,比基体高出很多。
图5是实施例2的涂层在3.5%NaCl溶液中的动电位阳极极化曲线,自腐蚀电位为-0.54V,存在明显的钝化区,钝化电流密度为0.00275mA/cm2,可见该涂层具有良好的耐腐蚀能力。
采用立式万能摩擦磨损试验机进行涂层的无润滑球盘式摩擦磨损实验,球材料为Si3N4,直径1/4英寸,盘试样为Q235钢加工成规定尺寸后在磨损试验面喷涂上待试验涂层,各实施例涂层的的试验参数后磨损失重率见表1,可以发现涂层具有良好的耐磨损性能。
表1
  载荷(N)   时间(min)  速度(r/min)   磨损失重率%
  实施例1   20   15   100   0.011
  实施例2   20   15   100 0.001
  实施例3   20   15   100 0.001
  实施例4   20   15   100 0.003
  实施例5   20   15   100 0.001
  实施例6   20   15   100 0.005
  Q235   20   15   100 1.624

Claims (9)

1.一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于喷涂材料是由药皮和药芯组成的药芯丝材,其总成分重量百分比为:Cr 13~25%,Mn0.2~5%,B 0.2~5%,C 0.05~1%,Si 0.1~0.5%,Mo 0.5~5%,W 0.5~6%,及药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末5~10%,或者含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末6~12%,其余为Fe。
2、根据权利要求1的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于药芯丝材药皮采用含碳量≤0.04%、含铬量约为16~17%的铬钢带。
3、根据权利要求1的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于碳化物为WC、TiC、Cr3C2中的任一种。
4、根据权利要求1的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于氧化物为Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2中的任一种。
5.根据权利要求1或3的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为微米级,粒径为38~150μm。
6.根据权利要求1或3的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为纳米级,原始尺寸为30~100nm,造粒后粒径为38~150μm。
7.根据权利要求1或4的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为微米级,粒径为38~150μm。
8.根据权利要求1或4的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层,其特征在于药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为纳米级,原始尺寸为30~100nm,造粒后粒径为38~150μm。
9、一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法,其特征在于采用电弧喷涂技术制备涂层,制备方法是采用双丝电弧喷涂设备进行喷涂,将药芯丝材熔化以后利用压缩空气雾化成液滴加速沉积在基体上,利用基体的快速冷却作用直接形成非晶纳米晶结构,未完全熔化的陶瓷粒子弥散分布在非晶纳米晶结构基体上,制备工艺参数为:电弧电压28~34V,工作电流190~250A,雾化气体压力0.6~0.8MPa,喷涂距离150~200mm。
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