CN109321861A - 一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法 - Google Patents

一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法，它是在预处理的基体表面通过低压等离子喷涂方法喷涂合金粉获得合金层，之后利用等离子喷涂之后的预热在合金合金层表面再通过等离子熔射技术熔射合金粉和陶瓷粉混合粉获得柱状结构的复合熔覆层，循环往复，直到获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构。本发明不但提高涂层与基体结合力和耐蚀、耐磨性；也可以获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能。

Description

一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨、耐蚀涂层材料结构及制备技术，属于金属材料表面处理领域。具体来讲就是公开了一种利用等离子喷涂加等离子熔射复合的方法，高效率地获得具有层片状和柱状复合结构的涂层材料以及方法，在保障表面耐腐蚀性能的同时，提高耐磨性能，也可以获得沿厚度方向性能连续变化的多层梯度结构，提高抗冲击涂层材料的抗冲击性能。
背景技术
在我国的海工机械、煤化工、石油行业的各类闸阀，矿山、水泥行业的各种沙泵、渣浆泵、水轮机、输送管道等，工作在复杂、严苛的磨损、腐蚀环境下，因为工件表面的防护涂层材料以及性能不合乎要求，而大大缩短了使用寿命，既带来安全隐患，也成为消耗最大的易损件。目前常用的提高表面性能的方法主要有：激光和等离子熔覆、堆焊、双金属复合熔铸或镶铸、喷涂等，皆可以在不同的金属材料基材上制备不同的涂层，提高耐磨或者耐蚀性能。
中国专利申请号：201711298879.2，提供一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层及其制备方法，采用等离子喷涂气相沉积技术，送入热障涂层陶瓷层粉末后，粉末蒸发形成气相。通过喷涂过程中基体沉积表面和等离子射流之间角度的多次变换，调节陶瓷层柱状结构的沉积生长方向，获得具有与基体表面法线方向呈一定角度的曲折柱状结构热障涂层陶瓷层，该发明制备的曲折柱状结构热障涂层陶瓷层能大幅度提高隔热性能和抗高温腐蚀能力。
中国专利申请号：201110280844.2，公开了一种纳米/类柱状晶混合结构热障涂层及其制备方法，包括粉末选择及预处理步骤、基体预处理步骤、制备金属粘结层步骤、制备6-8％YSZ陶瓷层步骤。该发明所公开的涂层具有高应变容限、优异隔热性能、高结合强度、高热循环寿命及热冲击寿命，使热障涂层具有更好的综合性能。
中国专利申请号：200480035764.9公布了一种层状结构的气相沉积覆层，这种层状结构覆盖的基材用于高剪切和/或高冲击领域。
中国专利申请号：201810214053.1公布了具有结构梯度的热障涂层及其制备方法，该热障涂层从下至上依次设置的基体、粘结层和陶瓷面层，其中，该陶瓷面层的微观结构呈梯度变化，由从下至上依次设置准柱状结构陶瓷底层、层状和柱状混合结构陶瓷过渡层和致密层状结构陶瓷顶层。通过超低压等离子多相沉积方法可实现该热障涂层的一次性连续制备。制备的热障涂层具有高隔热、长寿命、更强抗腐蚀和抗冲刷等性能优点。
采用以上不同的涂层设计和制备方法，可以提高工件的使用寿命。但迄今为止，针对超厚、强冶金结合的耐磨、耐蚀涂层以及制备方法，还尚未见到国内外报道。因此，迫切需要开发满足耐磨、耐蚀、抗冲击性能要求，涂层是与基体呈冶金结合的超厚涂层，且性能是沿厚度方向梯度变化的涂层材料以及高效率的制备方法，满足不同行业对耐磨蚀材料以及涂层的需求。
发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题，提供了一种涂层是与基体呈冶金结合的层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层及制备方法。本发明采用了等离子喷涂与等离子熔射复合的方法，可以高效率地获得具有层片状和柱状复合结构的涂层材料。等离子喷涂之后形成层状结构，保障表面耐腐蚀性能。而后续的等离子熔射，充分利用等离子喷涂之后的预热，降低熔射涂层的应力，提高结合力，提高效率；同时，因为采用转移弧形式，工件作为阳极，温度高，使得熔射粉体以及基体达到熔化或办熔化状态，熔射之后获得细密的柱状组织结构，大大提高耐磨性能。并且经过等离子熔射，喷涂形成的具有层状结构的合金层内，发生反应扩散，形成稳定相，并降低孔隙率，提高涂层与基体结合力和耐蚀、耐磨性；也可以获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能。本发明的制备方法与传统的等离子喷涂相比，可减少孔隙率、降低裂纹数、使陶瓷涂层中的亚稳相向稳定相转变,提高涂层的表面硬度、耐磨性以及抗热震等性能，与传统的熔覆涂层技术获得涂层相比，基体变形小，效率高，涂层厚度易于控制，涂层材料选择范围大，可以是陶瓷、金属以及复合材料，适用于矿山、冶金、石油、电力、化工、海工等领域。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层，其特征在于，它是在预处理的基体表面通过低压等离子喷涂方法喷涂合金粉获得合金层，之后利用等离子喷涂之后的预热在合金合金层表面再通过等离子熔射技术熔射合金粉和陶瓷粉混合粉获得柱状结构的复合熔覆层，循环往复，直到获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构；
所述的合金粉选自Ni、Cr、Ti、Al、Co、Cu、Si等金属粉体，粒度45-75μm，所述的陶瓷粉选自WC、B4C、SiC、TiO2、ZrO2、Cr2O3、Al2O3粉体，粒度35-45μm。
进一步，所述的复合熔射层，是由5-30wt％的合金粉和余量的陶瓷粉混合而成的；
进一步，所述合金层和的复合熔覆层中的合金粉，均由(0～90)wt％的Ni+Cr或/和(0～90)wt％的Ti+Al混合粉末，以及余量的Co+Cu+Si混合粉末组成的,Co+Cu+Si混合粉末中三种元素配比为等摩尔；
进一步，所述的复合熔覆层中的陶瓷粉是由(45～95)wt％的WC或/和(2～25)wt％的B4C或/和(1～10)wt％的SiC陶瓷粉和余量的TiO2+ZrO2+Cr2O3+Al2O3混合粉末组成的；要求TiO2+ZrO2+Cr2O3+Al2O3混合粉末中四种粉末为等摩尔配比。
本发明制备层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层的方法为：
第一步：粉体准备
按照要求准备合金粉和陶瓷粉；
第二步：工件表面预处理
预处理包括酸浸泡、水冲洗、碱水浸泡、温水清洗、干燥和喷砂粗化处理工序；
第三步：等离子喷涂
采用低压等离子喷涂方法，在预处理的工件表面喷涂合金粉获得厚度为0.2～0.3mm的合金层，等离子喷涂工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为50-100mm，送粉率为30～50g/min；合金层平均硬度为330～440HV0.3；
第四步：等离子熔射
在等离子喷涂过后获得具有层状结构的合金层上，充分利用等离子喷涂之后的预热，通过等离子发生器进行等离子熔射，从而降低熔射涂层的应力，提高结合力，要求喷涂用的等离子炬和熔射用的等离子发生器以相同的速度和轨迹运动，等离子束熔射时，工件是阳极，形成的是转移弧，因此，工件表面因为温度高，会形成熔化层，冷却以后形成厚度为0.8～1.2mm的熔覆层；等离子束熔射流电压50V、电流150A、距离为20mm，送粉率为50g/min。因为散热的方向性，凝固后的熔射层具有柱状结构，熔覆层平均硬度达670-1240HV0.3；
第五步：重复等离子喷涂与等离子熔射
根据需要再次等离子喷涂，之后再进行等离子熔射，如此反复，从而获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能，涂层总厚度可达2.5～3.0mm。
本发明制备的具有层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层可用于ZGMn13、304不锈钢、316不锈钢材料的闸阀、Q235钢、Q255钢等的表面强化，提高耐蚀性3～10倍，耐磨性2～4倍。
本发明的有益效果：
1、由于本发明采用了等离子喷涂加等离子熔射复合处理的方法，首先在涂层底部依靠等离子喷涂工艺获得层片状组织结构的合金层。之后再进行等离子熔射加热处理，同时充分利用等离子喷涂之后的预热，降低熔射涂层的应力，提高结合力，提高效率。经过等离子喷涂形成的具有层状结构的合金层内，发生反应扩散，形成的主要物相为：NiAl、CrAl、NiTi、TiAl、CoAl、CuO或SiO2等金属间化合物和氧化物，提高物相稳定性、减小孔隙率，降低涂层残余应力，极大地提高涂层的耐腐蚀性能。而等离子熔射层凝固后，因为冷却速度快，获得细密的柱状组织结构，物相组成有WC、B4C、SiC、TiO2、ZrO2、Cr2O3、Al2O3等，同时还有Ti与B4C、SiC反应形成的TiB2、TiC、Ti2SiC等各类陶瓷相，提供硬度和耐磨性。通过多次等离子喷涂与熔射，也可以获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能以及抗热震等性能。
2、本发明的制备方法与传统的等离子喷涂相比，可减少孔隙率、降低裂纹数、使陶瓷涂层中的亚稳相向稳定相转变，提高涂层的表面硬度、耐磨性、涂层结合力以及抗热震等性能，与传统的熔覆涂层技术获得涂层相比，基体变形小，效率高，厚度易于控制，涂层材料选择范围大，可以是陶瓷、金属以及复合材料，适用于矿山、冶金、石油、电力、化工、海工等领域。
3、本发明采用了等离子喷涂与等离子熔射复合的方法，可以高效率地获得具有层片状和柱状复合结构的涂层材料。等离子喷涂之后形成层状结构，保障表面耐腐蚀性能。而后续的等离子熔射，充分利用等离子喷涂之后的预热，降低熔射涂层的应力，提高结合力，提高效率；同时，因为采用转移弧形式，工件作为阳极，温度高，使得熔射粉体以及基体达到熔化或半熔化状态，熔射之后获得细密的柱状组织结构，大大提高耐磨性能。并且经过等离子熔射，喷涂形成的具有层状结构的合金层内，发生反应扩散，形成稳定相，并降低孔隙率，提高涂层与基体结合力和耐蚀、耐磨性；也可以获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能。
附图说明
图1是本发明等离子喷涂+等离子熔射示意图；
图2是本发明层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层的剖面微观组织结构图；
图中：1-工作台，2-工件，3-等离子喷涂炬，4-等离子发生器，5-合金层，6-熔射层。
具体实施的方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例中以在纯316L不锈钢基体上制备本发明复合结构为例，经检测，实施例中选择的纯316L不锈钢基体在氯化钠溶液中的自腐蚀电流为245nA·cm-2。316不锈钢的摩擦磨损测试采用往复球盘式，试验条件为：室温、干摩擦，氧化铝陶瓷球作为对磨副,磨损时间为120min，磨损体积损失为：7.5×107μm3，为了具有可比性，下面实施例中的自腐蚀电流和耐磨性测试是在和316不锈钢同等试验条件下测出来的。
实施例一：
步骤1：粉体准备
耐磨、耐蚀涂层原材料分为粒度45-75μm的合金粉和粒度35-45μm的陶瓷粉，其中熔射层是由30wt％合金粉和70wt％陶瓷粉混合而成的，熔射层中的陶瓷粉配比为:45wt％WC、25wt％B4C、10wt％SiC，其余为混合粉末TiO2:ZrO2:Cr2O3:Al2O3＝1:1:1:1(摩尔比)的粉体；熔射层和合金层中的合金粉配比均为：混合粉末Ni:Cr＝1:1的占90wt％、混合粉末Ti:Al＝1:1占5wt％，其余为混合粉末Co:Cu:Si＝1:1:1(摩尔比)；
步骤2:基体表面预处理
首先是将工件2浸泡在酸液中，视工件污垢程度决定浸泡时间，酸浸之后用水冲洗。再用碱水浸泡以中和残酸最后再用温水彻底清洗吹干。再采用常规的喷砂粗化方法，对工件表面粗化处理。
步骤3：等离子喷涂
如图1所示，实施时，首先将工件2置于工作台1上，在工作台2上方设有设置等离子喷涂炬3和等离子发生器4，首先采用等离子喷涂炬3低压等离子喷涂方法，工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为100mm，送粉率为50g/min，喷涂粉末是步骤1中的合金粉，在工件上喷涂合金粉形成层状结构的合金层5，合金层5厚度为0.3mm，平均显微硬度为440HV0.3。
步骤4；等离子熔射
在等离子喷涂过后获得具有层状结构的合金层上，启动等离子发生器4进行等离子熔射，充分利用等离子喷涂之后的预热，降低熔射涂层的应力，提高结合力，要求喷涂用的等离子炬与熔射用的等离子发生器以相同的速度和轨迹运动，等离子束熔射时，工件是阳极，形成的是转移弧，因此，工件表面因为温度高，会形成熔化层。等离子束熔射流电压50V、电流150A、距离为20mm，送粉率为50g/min。熔射粉末是步骤1中的合金粉与陶瓷粉的混合粉。因为散热的方向性，凝固后的熔射层6具有柱状结构，厚度为0.8mm，平均硬度达970HV0.3，具有图2所示的柱状结构熔射层与底部的具有层状结构喷涂层；
步骤5：重复等离子喷涂与等离子熔射
根据需要再次等离子喷涂，如步骤3；之后再进行等离子熔射，如步骤4，如此反复，获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能，涂层总厚度可达2.5～3.0mm，用于ZGMn13的闸阀的表面强化。经检测，实施例材料自腐蚀电流为49nA·cm-2，磨损120min后体积损失为：3.75×107μm3，自腐蚀电流越小，说明被腐蚀的几率越小，耐磨损失越小，说明耐磨性越好。从试验数据可以看到，本发明耐腐蚀性和耐磨性大大提高。
实施例二：
步骤1：粉体准备
其中熔射层6是由5wt％合金粉和95wt％陶瓷粉混合而成的，熔射层6中的陶瓷粉配比为:90wt％WC、2wt％B4C、1wt％SiC，其余为混合粉末TiO2:ZrO2:Cr2O3:Al2O3＝1:1:1:1(摩尔比)的粉体；熔射层6和合金层5中的合金粉配比均为：混合粉末Ni:Cr＝1:1的占45wt％、混合粉末Ti:Al＝1:1占45wt％，其余为混合粉末Co:Cu:Si＝1:1:1(摩尔比)；
步骤3：等离子喷涂
喷涂距离为50mm，送粉率为30g/min，合金层厚度为0.2mm，平均显微硬度为380HV0.3；
步骤4：等离子熔射
合金粉与陶瓷粉的混合粉，比例为：合金粉5％，陶瓷粉95％，厚度为1.2mm，平均硬度达1140HV0.3，具有柱状结构熔射层与底部的具有层状结构合金层，总厚度约为1.4mm。
除了上述不同之外，其余与实施例一相同。
步骤5：重复等离子喷涂与等离子熔射。根据需要再次等离子喷涂，如步骤3；之后再进行等离子熔射，如步骤4，获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能，涂层总厚度可达2.5～3.0mm。用于316不锈钢材料的闸阀的表面强化。经检测，实施例二材料自腐蚀电流为81.7nA·cm-2，磨损120min后体积损失为：1.88×107μm3。
实施例三：
步骤1：粉体准备
其中熔射层6是由20wt％合金粉和80wt％陶瓷粉混合而成的，熔射层6中的陶瓷粉配比为:70％WC、15％B4C、5％SiC，其余为混合粉末TiO2:ZrO2:Cr2O3:Al2O3＝1:1:1:1(摩尔比)的粉体；熔射层6和合金层5中的合金粉配比均为：混合粉末Ni:Cr＝1:1的占5wt％、混合粉末Ti:Al＝1:1占90wt％，其余为混合粉末Co:Cu:Si＝1:1:1(摩尔比)；
步骤3：等离子喷涂
喷涂距离为70mm，送粉率为40g/min，合金层厚度为0.25mm，平均显微硬度为330HV0.3；
步骤4：等离子熔射
熔射层厚度为1.2mm，平均硬度达1070HV0.3，具有柱状结构熔射层与底部的具有层状结构合金层，总厚度为1.45mm。
除了上述不同之外，其余与实施例一相同。
步骤5：复等离子喷涂与等离子熔射
根据需要再次等离子喷涂，如步骤3；之后再进行等离子熔射，如步骤4，获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能，涂层总厚度可达2.5～3.0mm。用于304不锈钢的闸阀的表面强化。经检测，实施例三材料自腐蚀电流为61.3nA·cm-2，磨损120min后体积损失为：2.5×107μm3。
实施例四
步骤1：粉体准备
耐磨、耐蚀涂层原材料分为粒度45-75μm的合金粉和粒度35-45μm的陶瓷粉，其中熔射层6是由10wt％合金粉和90wt％陶瓷粉混合而成的，熔射层6中的陶瓷粉配比为:80wt％WC、10wt％B4C，其余为混合粉末TiO2:ZrO2:Cr2O3:Al2O3＝1:1:1:1(摩尔比)的粉体；熔射层6和合金层5中的合金粉配比均为：混合粉末Ni:Cr＝1:1的占90wt％、其余为混合粉末Co:Cu:Si＝1:1:1(摩尔比)。
步骤3中合金层的平均显微硬度为410HV0.3。，步骤4中熔射层的平均硬度达1100HV0.3。
实施例四除了上述与实施例一不同外，其余与实施例一相同，最后获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能，涂层总厚度可达2.5～3.0mm。用于Q235钢的表面强化。经检测，实施例四材料自腐蚀电流为24.5nA·cm-2，磨损120min后体积损失为：1.97×107μm3。

Claims (6)

1.一种层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层，其特征在于，它是在预处理的基体表面通过低压等离子喷涂方法喷涂合金粉获得合金层，之后利用等离子喷涂之后的预热在合金合金层表面再通过等离子熔射技术熔射合金粉和陶瓷粉混合粉获得柱状结构的复合熔覆层，循环往复，直到获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构；
所述的合金粉选自Ni、Cr、Ti、Al、Co、Cu、Si金属粉体，粒度45-75μm，所述的陶瓷粉选自WC、B4C、SiC、TiO2、ZrO2、Cr2O3、Al2O3粉体，粒度35-45μm。
2.如权利要求1所述的层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层，其特征在于，所述的复合熔射层粉末，是由5-30wt％的合金粉和余量的陶瓷粉混合而成的。
3.如权利要求1所述的层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层，其特征在于，所述合金层和的复合熔覆层中的合金粉，均由(0～90)wt％的Ni+Cr或/和(0～90)wt％的Ti+Al混合粉末，以及余量的Co+Cu+Si混合粉末组成的,要求Co+Cu+Si混合粉末中三种元素配比为等摩尔。
4.如权利要求1所述的层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层，其特征在于，所述的复合熔覆层中的陶瓷粉是由(45～95)wt％的WC或/和(2～25)wt％的B4C或/和(1～10)wt％的SiC陶瓷粉和余量的TiO2+ZrO2+Cr2O3+Al2O3混合粉末组成的；要求TiO2+ZrO2+Cr2O3+Al2O3混合粉末中四种粉末为等摩尔配比。
5.一种如权利要求1-4任一所述的层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，
第一步：粉体准备
按照要求准备合金粉和陶瓷粉；
第二步：工件表面预处理
预处理包括酸浸泡、水冲洗、碱水浸泡、温水清洗、干燥和喷砂粗化处理工序；
第三步：等离子喷涂
采用低压等离子喷涂方法，在预处理的工件表面喷涂合金粉获得厚度为0.2～0.3mm的合金层，等离子喷涂工艺参数为：电压50V、电流150A、喷涂距离为50-100mm，送粉率为30～50g/min；合金层平均硬度为330～440HV0.3；
第四步：等离子熔射
在等离子喷涂过后获得具有层状结构的合金层上，充分利用等离子喷涂之后的预热，通过等离子发生器进行等离子熔射，要求喷涂用的等离子炬和熔射用的等离子发生器以相同的速度和轨迹运动，等离子束熔射时，工件是阳极，形成的是转移弧，冷却以后形成厚度为0.8～1.2mm的熔覆层，平均硬度达670-1240HV0.3；等离子束熔射流电压50V、电流150A、距离为20mm，送粉率为50g/min；
第五步：重复等离子喷涂与等离子熔射
根据需要再次等离子喷涂，之后再进行等离子熔射，如此反复，从而获得沿厚度方向性能连续变化的多层的层、柱交替梯度结构，提高涂层材料的抗冲击性能，涂层总厚度达2.5～3.0mm。
6.一种如权利要求1-4任一所述的层片状和柱状复合结构的耐蚀耐磨涂层在ZGMn13、304不锈钢、316不锈钢材料的闸阀、Q235钢或Q255钢的表面强化上的应用。
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