一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末、涂層及其制備工藝制造技術

本發明專利技術公開了一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末，其成分組成為金屬粘結劑包覆碳化鎢粉末：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；以該復合粉末為噴涂原料，采用超音速火焰噴涂或高焓等離子噴涂該原料，形成抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層；或采用超音速火焰噴涂或等離子噴涂該原料后，再經高焓等離子重熔成型，獲得抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層。本發明專利技術采用在碳化鎢基金屬陶瓷涂層中摻雜錸元素，形成W-Re等相，可顯著提高碳化鎢基金屬陶瓷涂層的抗高溫性能，使其工作溫度提高200-300℃，從而解決轉輪退火處理過程中的涂層失效問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料表面強化
，涉及一種碳化鎢基金屬陶瓷粉末及涂層，尤其涉及一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末、涂層及其制備工藝。
技術介紹
水輪機、水泵的轉輪在使用過程中不同程度地遭受各種沙石沖蝕和汽蝕破壞，以及水環境中的腐蝕破壞等，引起水力機械部件功能的失效，進而使得轉輪的使用效率大大降低，導致機械頻繁大修，因此造成大量資源和能源的浪費和經濟損失。熱噴涂碳化鎢金屬陶瓷涂層具有優良的抗沖蝕和耐腐蝕性能，采用熱噴涂碳化鎢金屬陶瓷涂層對基材表面進行防護，可以有效保護基材表面，延長轉輪使用壽命。轉輪的基材主要有0Cr13Ni4Mo和0Cr13Ni5Mo等不銹鋼，焊接后需要經過600-650℃退火保溫3小時，或者850℃退火保溫2小時，以消除焊接應力。但是碳化鎢金屬陶瓷涂層在高溫下退火后性能大幅下降，甚至直接剝落(如在800℃退火1小時，發現全部剝落)，無法起到對基材的保護效作用。碳化鎢金屬陶瓷涂層中的WC相的抗高溫氧化性能差，在高溫環境中易氧化分解，生成W2C、Co3W3C等脫碳產物。這些相的脆性差，嚴重影響了涂層的抗沖蝕、抗磨損性能。因此，目前的碳化鎢金屬陶瓷涂層的使用溫度一般在480℃以下，超過此溫度涂層就不能使用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術的不足，提供一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末、涂層及其制備工藝，以解決現有碳化鎢基金屬陶瓷涂層材料無法滿足實際工程使用中較高工作溫度要求的問題，提高設備的高溫耐磨性能。本專利技術是這樣實現的：一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末，其成分組成為金屬粘結劑包覆碳化鎢：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；所述的金屬粘結劑包覆碳化鎢為WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC顆粒的尺寸為1-10μm或者40-100nm；所述的納米Re粉純度不低于99.99％，顆粒度為40-60nm；所述的含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末的顆粒尺度為5-45μm。以上述的含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末為原料，采用超音速火焰噴涂或高焓等離子噴涂該原料，直接形成抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層；或采用超音速火焰噴涂或等離子噴涂該原料后，再經高焓等離子重熔成型，獲得抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層。其具體的制備工藝如下：1)首先向金屬粘結劑包覆碳化鎢粉末中添加5～10wt％的純Re粉末，在球磨機內混合15～20小時，使粉末充分均勻化；此時混合粉末的顆粒尺度為5-45μm。2)將上述粉末平鋪，放在保溫箱內進行烘干，保溫溫度為80～100℃，烘干時間為1～2小時，得到含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末；3)用丙酮或酒精對中碳鋼或合金鋼基材表面進行清洗，除去其表面油漬污物并放于保溫箱內35～45℃烘干；采用空氣動力噴砂方法對上述噴涂基體表面進行除銹和毛化，噴砂處理選用30～50目白剛玉或棕剛玉，噴砂時壓縮空氣的壓力為0.3～0.5MPa，噴砂距離為120～150mm，噴砂角度為70°～85°；4)以步驟2)的復合粉末為原料，采用超音速火焰噴涂或高焓等離子噴涂對基體表面進行噴涂，獲得抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層；或者采用超音速火焰噴涂或高焓等離子噴涂對基體表面進行噴涂后，再進行高焓等離子重熔處理，得到抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層。上述制備工藝中，所述的金屬粘結劑包覆碳化鎢為WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC顆粒的尺寸為1-10μm或者40-100nm；所述的純Re粉末的純度不低于99.99％，顆粒度為40-60nm。本專利技術獲得的復合涂層的孔隙率＜0.5％；涂層的顯微硬度＞1300HV0.2；650～850℃下退火處理后，復合涂層的結合強度度達75MPa以上，復合涂層的磨蝕失重為0Cr13Ni5Mo高強不銹鋼的0.08-0.16倍。經過退火處理的復合涂層仍表現出良好的抗磨蝕性能。本專利技術通過控制碳化鎢粉末顆粒的尺寸，可有效提高涂層的強度和硬度性能；此外，通過采用高比例的納米錸，實現了碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層高溫環境下的材料表面抗磨損強化，大量實驗研究表明，錸的顆粒尺度及其添加量對復合涂層的高溫性能有著極大影響，當其添加量在1-3wt％或更低時對涂層的高溫耐磨性并沒有發現效果，其涂層與普通碳化鎢基金屬陶瓷涂層的磨蝕失重幾乎相當，提高其添加量至3-5wt％時，涂層的高溫耐磨性及結合性能略有提高，然而尚不能滿足使用需求，只有當納米錸的添加量達到5-10wt％，形成W-Re等相，不僅在一定程度上提高了復合涂層的強度和塑性，也顯著提高碳化鎢金屬陶瓷涂層的抗高溫性能，使其再結晶起始溫度提高了約350-450℃，使其工作溫度提高200-300℃，從而可以有效解決轉輪退火處理過程中的涂層失效問題。本專利技術的有益效果是：本專利技術的含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層的使用溫度相對普通碳化鎢基金屬陶瓷涂層提高了200-300℃，大大提高了碳化鎢基金屬陶瓷涂層的的抗高溫性能，制備方法工藝可靠，性能穩定，適合在需要先噴后焊接之后再高溫退火的水輪機、水泵等抗磨蝕領域應用推廣。具體實施方式以下結合實例對本專利技術做進一步說明。本專利技術實施例中采用的超音速火焰噴涂設備為HV-50型超音速火焰噴涂設備，煤油流量為28～33L/h，煤油壓力為1.6～1.8MPa，氧氣流量為850～920L/min，氧氣壓力為2.0～2.2MPa,送粉速率為60～80g/min,氮氣流量為12～14L/min,氮氣壓力為1.0～1.4MPa，噴涂距離為380mm～410mm。本專利技術實施例中采用高焓等離子噴涂設備為100HE高焓等離子噴涂設備，噴槍功率為80～100kW，氬氣流量為280～380SCFH(立方英尺/小時)，氮氣流量為110～140SCFH(立方英尺/小時)，氫氣流量為90～130SCFH(立方英尺/小時)，送粉速率為65～85g/min，噴涂距離130～180mm。本專利技術實施例中采用空氣動力噴砂方法對噴涂基體表面進行除銹和毛化，噴砂處理選用30～50目白剛玉，噴砂時壓縮空氣的壓力為0.3～0.5MPa，噴砂距離為120～150mm，噴砂角度為70°～85°.本發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末，其特征在于，其成分組成為金屬粘結劑包覆碳化鎢：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；所述的金屬粘結劑包覆碳化鎢為WC?10Co?4Cr、WC?9Co?5Cr?1Ni、WC10Ni5Cr或WC?10Co?4Cr?1Ce，其中WC顆粒的尺寸為1?10μm或者40?100nm；所述的Re粉純度不低于99.99％，顆粒度為40?60nm；所述的含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末的顆粒尺度為5?45μm。

【技術特征摘要】
1.一種含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末，其特征在于，
其成分組成為金屬粘結劑包覆碳化鎢：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；
所述的金屬粘結劑包覆碳化鎢為WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、
WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC顆粒的尺寸為1-10μm或
者40-100nm；所述的Re粉純度不低于99.99％，顆粒度為40-60nm；
所述的含Re的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合粉末的顆粒尺度為5-45
μm。
2.一種抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層，其特征在于，是以
權利要求1所述的復合粉末為原料，采用超音速火焰噴涂或高焓等離
子噴涂該原料直接形成的涂層；或采用超音速火焰噴涂或等離子噴涂
該原料后，再經高焓等離子重熔獲得的涂層，所述的抗高溫碳化鎢基
金屬陶瓷復合涂層厚度為200～300μm。
3.如權利要求2所述的抗高溫碳化鎢基金屬陶瓷復合涂層的制
備工藝，其特征在于，包括如下步驟：
1)將金屬粘結劑包覆碳化鎢粉末中添加5～10wt％的純Re粉末，
在球磨機內混合15～20小時，使粉末充分均勻化；
2)將上述混合后的粉末平鋪，放在保溫箱內進行烘干，保溫溫
度為80～100℃，烘干時間為1～2小時，得到復合粉末；
3)用丙酮或酒精對中碳鋼或合金鋼基材表面進行清洗，除去其
表面油漬污物，放于保溫箱內35～45℃烘干；再采用空氣動...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳燕明，陳小明，周夏涼，趙堅，伏利，毛鵬展，
申請(專利權)人：水利部杭州機械設計研究所，
類型：發明
國別省市：浙江;33