CN112359311B - 一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹产生的方法，属于热喷涂技术领域。该方法通过向超级不锈钢粉体中混入惰性陶瓷颗粒，然后将混合粉末热喷涂至基材表面，一方面在喷涂过程中高熔点未熔化的陶瓷颗粒对已喷涂的涂层具有夯实作用，使涂层致密度提高；另一方面，部分陶瓷颗粒可以镶嵌至金属涂层中，对涂层冲击过程中裂纹的扩展起到抑制作用。金属粉体与陶瓷颗粒按照体积比1:1均匀混合，陶瓷颗粒选取氧化铝或碳化硅。本发明陶瓷颗粒可使涂层致密度提高，且可以降低涂层的纵向裂纹的扩展，有效降低了热喷涂不锈钢涂层的纵向开裂，适用于腐蚀冲击环境中提高耐蚀耐磨金属涂层的使用寿命。

Description

一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹的方法

技术领域

本发明涉及热喷涂技术领域，具体涉及一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹的方法。

背景技术

大型钢制零件在使役环境中会出现磨损超差和腐蚀等行为，针对装备核心零部件因磨损、消除腐蚀等带来的腐蚀超差，通过制备超级不锈钢涂层修复零件尺寸工艺方法受到广泛关注。超级不锈钢作为表面修复及防护涂层不仅成本低廉，而且还发挥了其优异的耐磨耐蚀性能。目前已经在电力、海洋、石化以及核工业等领域成功应用或展现出广阔的应用前景。

目前，超级不锈钢涂层的制备主要采用热喷涂方法。其中，超音速火焰喷涂被公认为是制备超级不锈钢涂层的理想方法。超音速火焰喷涂具有低火焰温度和高焰流速度，可以较大程度降低涂层的孔隙率。因此超音速火焰喷涂制备的超级不锈钢涂层具有优异的耐磨性能和耐蚀性能。然而，超音速火焰喷涂制备的超级不锈钢涂层耐冲击性能较差，在某些苛刻的使役环境，如受腐蚀与冲击交互作用环境，冲击作用会导致涂层产生纵向裂纹，继而腐蚀介质浸入裂纹造成局部腐蚀，导致涂层分层与剥落，大大降低了超级不锈钢涂层的腐蚀防护效果及使用寿命，限制了超级不锈钢涂层在某些领域的广泛应用。因此，通过结构设计开发出具有耐冲击性能的超级不锈钢涂层具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹的方法，该方法用于解决热喷涂超级不锈钢受冲击后产生纵向裂纹继而导致局部腐蚀的问题，从而大幅度提高涂层的耐冲击耐蚀性能。

一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹产生的方法，其特征在于：该方法是在采用超音速火焰喷涂技术在基体上制备超级不锈钢涂层的过程中，在原料超级不锈钢粉体中加入惰性陶瓷颗粒，然后将超级不锈钢粉体与惰性陶瓷颗粒的混合粉末热喷涂至基材表面；所述惰性陶瓷颗粒为氧化铝和/或碳化硅颗粒。

所述混合粉末中，超级不锈钢粉体与惰性陶瓷颗粒的体积比为1:1。

所述氧化铝颗粒的粒度为325～220目，碳化硅颗粒的粒度为325～220目。

所述喷涂基体为碳钢、不锈钢或特殊环境用钢，涂层厚度0.5mm。

在热喷涂超级不锈钢涂层过程中，在喷涂过程中的工艺参数为：空气压力85～95psi；燃气压力75～85psi；丙烷流量：125～145SLPM；氢气流量：30～40SLPM；氮气流量：25～35SLPM；送粉速率：5～8rpm；喷涂距离：160～240mm。

所述超级不锈钢涂层结构为面心立方结构；涂层中混入氧化铝颗粒时中出现Al₂O₃相，混入碳化硅涂层中出现SiC相。

与现有的热喷涂超级不锈钢涂层相比，本发明有益效果如下：

(1)本发明在热喷涂的原料超级不锈钢粉体中加入惰性陶瓷颗粒，通过加入比例、陶瓷颗粒粒度及热喷涂工艺参数的协同控制，使得在喷涂过程中高熔点未熔化的陶瓷颗粒对已喷涂的涂层具有夯实作用，使涂层致密度提高，孔隙率降低。

(2)在喷涂过程中，部分陶瓷颗粒可以镶嵌至金属涂层中，对涂层冲击过程中裂纹的扩展起到抑制作用，降低冲击过程中裂纹的数量与尺寸。

附图说明

图1为超级不锈钢涂层的混入两种陶瓷颗粒XRD图谱；

图2为混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层扫描电镜图及元素分布图；

图3为混入碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层扫描电镜图及元素分布图；

图4为未混入陶瓷颗粒的超级不锈钢涂层冲击后的裂纹形貌图；

图5为混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层冲击后的裂纹形貌图；

图6为混入碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层冲击后的裂纹形貌图；

图7为未混入颗粒涂层、混入氧化铝涂层和混入碳化硅涂层的动电位极化曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明是针对降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹的方法，主要包括两个步骤，第一步是热喷涂前将超级不锈钢粉体与隋性陶瓷颗粒按照体积比1:1均匀混合，陶瓷颗粒选取两种：325～220目氧化铝、325～220目碳化硅。第二步是将混合粉末通过热喷涂方法喷涂至基材表面。

本发明所针对的热喷涂超级不锈钢涂层是采用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备得到的超级不锈钢涂层，该涂层制备在碳钢、不锈钢或特殊环境用钢基体上，喷涂基体的尺寸150mm×75mm×5mm，涂层厚度0.5mm。

以下实施例中所用超级不锈钢涂层是采用超音速火焰喷涂(High Velocity AirFuel,HVAF)的方法获得。该方法中，使用丙烷和/或丙烯作为燃料气体，压缩空气作为助燃剂，使用氢气和氮气提高工艺的灵活性。所述HVAF超音速火焰喷涂使用的超级不锈钢粉末为球形或类球形，使用气体雾化方法获得。所述HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力85～95psi；燃气压力75～85psi；丙烷流量：125～145SLPM；氢气流量：30～40SLPM；氮气流量：25～35SLPM；送粉速率：5～8rpm；喷涂距离：160～240mm。

以下实施例中所制备的超级不锈钢涂层的抗裂纹试验采用落锤冲击试验，落锤冲击能量选取14.4焦耳及21.6焦耳。

实施例1

取270目～500目超级不锈钢粉末与325～220目氧化铝粉末按照体积比1:1混合，采用HVAF超音速火焰喷涂方法，在5mm厚碳钢(150mm×75mm)表面制备得到掺杂氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层；并取超级不锈钢金属粉末采用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备得到超级不锈钢涂层为后续性能评价做参照。

本实施例制备的涂层厚度约为500微米，超级不锈钢涂层的X射线衍射图谱如图1所示，涂层结构基本为面心立方结构。混入氧化铝涂层中出现Al₂O₃相，混入碳化硅涂层中出现SiC相。超级不锈钢涂层的孔隙率如表1所示，可以看出混入氧化铝陶瓷颗粒后，涂层孔隙率明显降低。

表1实施例1-2制备的超级不锈钢涂层孔隙率

涂层	未混砂	混入325～220目氧化铝	混入325～220目碳化硅
				孔隙率	1.382％	0.786％	0.898％

本实施例中混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层采用扫描电子显微镜(SEM)来评价。图2展示了混入氧化铝颗粒的涂层的扫描电镜图及元素分布图，从图中可以看出涂层与基体无明显缝隙，结合较好。涂层中除不锈钢中具有的Fe、Cr、Ni、Mo等元素外，还分布着Al₂O₃相，说明氧化铝颗粒在制备过程中已经进入涂层中。

本实施例中涂层耐冲击性能效果为冲击试验后采用扫描电子显微镜(SEM)来评价，其中冲击试验的冲击能为21.6J。图4展示了未混入陶瓷颗粒涂层在冲击试验后的涂层截面图。从图中可以看出，经过冲击试验后，未混入陶瓷颗粒涂层中出现大量的纵向裂纹，包括径向裂纹和锥裂纹两种。这种纵向裂纹会导致在腐蚀介质浸入涂层中引起涂层发生局部腐蚀。图5展示了混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层在冲击试验后的涂层截面图。从涂层中可以看出，经过冲击试验后，混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层虽然出现界面开裂，但是没有纵向裂纹的产生，因此不会导致腐蚀介质浸入涂层引起局部腐蚀，从而提高涂层的防护效果和使用寿命。

本实施例中涂层耐蚀性能效果采用电化学极化测试：采用美国EG&G公司产的Potentionstat/Galvanostat Model 2273型恒电位仪来测定涂层的动电位极化行为，评价混入氧化铝颗粒前后超级不锈钢涂层试样的耐腐蚀性能。对未混入颗粒的超级不锈钢涂层和混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中进行动电位极化测试。极化测试测试前先进行3600s的开路电位测试，动电位极化起始电位选取为开路电位以下400mV，向阳极方向扫描，扫描速率为0.33mV/s，扫描至1.5V_SCE停止。

电化学测试结果如图7所示，可以看出未混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层的自腐蚀电位较低，钝化电流密度较大，表明其较低的耐腐蚀性能。混入氧化铝颗粒的超级不锈钢涂层钝化电流密度有一定程度降低，且自腐蚀电位略有升高，表明其具有优异的耐腐蚀性能。

实施例2

取270目～500目超级不锈钢粉末与325～220目碳化硅粉末按照体积比1:1混合，利用该混合粉末采用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备得到含有碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层，并取超级不锈钢金属粉末采用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备得到超级不锈钢涂层为后续性能评价做参照。

本实施例制备的超级不锈钢涂层的X射线衍射图谱如图1所示，涂层结构基本为面心立方结构。混入碳化硅涂层中出现SiC相。

超级不锈钢涂层的孔隙率如表1所示，可以看出混入碳化硅颗粒后，涂层孔隙率明显降低。

本实施例中混入碳化硅颗粒的涂层采用扫描电子显微镜(SEM)来评价，图3展示了混入碳化硅颗粒的涂层的扫描电镜图及元素分布图，从图中可以看出涂层与基体无明显缝隙，结合较好。涂层中除不锈钢中具有的Fe、Cr、Ni、Mo等元素外，还分布着SiC相，说明碳化硅颗粒在制备过程中已经进入涂层中。

本实施例中涂层耐冲击性能效果为冲击试验后采用扫描电子显微镜(SEM)来评价，其中冲击试验的冲击能为14.4J。图4展示了未混入陶瓷颗粒涂层在冲击试验后的涂层截面图。从图中可以看出，经过冲击试验后，未混入陶瓷颗粒涂层中出现大量的纵向裂纹，包括径向裂纹和锥裂纹两种。这种纵向裂纹会导致在腐蚀介质浸入涂层中引起涂层发生局部腐蚀。图6展示了混入碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层在冲击试验后的涂层截面图。从涂层中可以看出，经过冲击试验后，混入碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层出现界面开裂和少量的锥裂纹，但是锥裂纹的数量和尺寸都远小于未混入陶瓷颗粒的超级不锈钢涂层，因此可以减缓腐蚀介质浸入涂层引起局部腐蚀，从而提高涂层的防护效果和使用寿命。

本实施例中涂层耐蚀性能效果采用电化学极化测试：采用美国EG&G公司产的Potentionstat/Galvanostat Model 2273型恒电位仪来测定涂层的动电位极化行为，评价混入碳化硅颗粒前后超级不锈钢涂层试样的耐腐蚀性能。对未混入颗粒的超级不锈钢涂层和混入碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中进行动电位极化测试。极化测试测试前先进行3600s的开路电位测试，动电位极化起始电位选取为开路电位以下400mV，向阳极方向扫描，扫描速率为0.33mV/s，扫描至1.5V_SCE停止。

测试结果如图7所示，可以看出未混入颗粒的超级不锈钢涂层的自腐蚀电位较低，钝化电流密度大，表明其较低的耐腐蚀性能。混入碳化硅颗粒的超级不锈钢涂层钝化电流密度有一定程度降低，且自腐蚀电位略有升高，表明其具有优异的耐腐蚀性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹产生的方法，其特征在于：该方法是在采用超音速火焰喷涂技术在基体上制备超级不锈钢涂层的过程中，在原料超级不锈钢粉体中加入惰性陶瓷颗粒，然后将超级不锈钢粉体与惰性陶瓷颗粒的混合粉末热喷涂至基材表面；所述惰性陶瓷颗粒为氧化铝和碳化硅颗粒；

所述混合粉末中，超级不锈钢粉体与惰性陶瓷颗粒的体积比为1:1；

所述氧化铝颗粒的粒度为325~220目，碳化硅颗粒的粒度为325~220目；

在热喷涂超级不锈钢涂层过程中，在喷涂过程中的工艺参数为：空气压力85~95 psi；燃气压力75~85 psi；丙烷流量：125~145 SLPM；氢气流量：30~40 SLPM；氮气流量：25~35SLPM；送粉速率：5~8 rpm；喷涂距离：160~240 mm。

2.根据权利要求1所述的降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹产生的方法，其特征在于：所述喷涂基体为碳钢或不锈钢，涂层厚度0.5 mm。

3.根据权利要求1所述的降低热喷涂超级不锈钢涂层纵向裂纹产生的方法，其特征在于：所述超级不锈钢涂层结构为面心立方结构；涂层中混入氧化铝颗粒时出现Al₂O₃相，混入碳化硅涂层中出现SiC相。

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