一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺

摘要

本发明公开了一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末，其成分组成为金属粘结剂包覆碳化钨粉末：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；以该复合粉末为喷涂原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料，形成抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层；或采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂该原料后，再经高焓等离子重熔成型，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。本发明采用在碳化钨基金属陶瓷涂层中掺杂铼元素，形成W-Re等相，可显著提高碳化钨基金属陶瓷涂层的抗高温性能，使其工作温度提高200-300℃，从而解决转轮退火处理过程中的涂层失效问题。

说明书

技术领域

本发明属于材料表面强化技术领域，涉及一种碳化钨基金属陶瓷 粉末及涂层，尤其涉及一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉 末、涂层及其制备工艺。

背景技术

水轮机、水泵的转轮在使用过程中不同程度地遭受各种沙石冲蚀 和汽蚀破坏，以及水环境中的腐蚀破坏等，引起水力机械部件功能的 失效，进而使得转轮的使用效率大大降低，导致机械频繁大修，因此 造成大量资源和能源的浪费和经济损失。热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层 具有优良的抗冲蚀和耐腐蚀性能，采用热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层对 基材表面进行防护，可以有效保护基材表面，延长转轮使用寿命。转 轮的基材主要有0Cr13Ni4Mo和0Cr13Ni5Mo等不锈钢，焊接后需要经 过600-650℃退火保温3小时，或者850℃退火保温2小时，以消除焊接 应力。但是碳化钨金属陶瓷涂层在高温下退火后性能大幅下降，甚至 直接剥落(如在800℃退火1小时，发现全部剥落)，无法起到对基材 的保护效作用。碳化钨金属陶瓷涂层中的WC相的抗高温氧化性能 差，在高温环境中易氧化分解，生成W2C、Co3W3C等脱碳产物。这 些相的脆性差，严重影响了涂层的抗冲蚀、抗磨损性能。因此，目前 的碳化钨金属陶瓷涂层的使用温度一般在480℃以下，超过此温度涂 层就不能使用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含Re的抗高 温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺，以解决现有碳化 钨基金属陶瓷涂层材料无法满足实际工程使用中较高工作温度要求 的问题，提高设备的高温耐磨性能。

本发明是这样实现的：

一种含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末，其成分组成为金 属粘结剂包覆碳化钨：90～95wt％、Re粉：5～10wt％；所述的金属粘 结剂包覆碳化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或 WC-10Co-4Cr-1Ce，其中WC颗粒的尺寸为1-10μm或者40-100nm； 所述的纳米Re粉纯度不低于99.99％，颗粒度为40-60nm；所述的含 Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末的颗粒尺度为5-45μm。

以上述的含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末为原料，采用 超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料，直接形成抗高温碳化钨基 金属陶瓷复合涂层；或采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂该原料后， 再经高焓等离子重熔成型，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。

其具体的制备工艺如下：

1)首先向金属粘结剂包覆碳化钨粉末中添加5～10wt％的纯Re粉 末，在球磨机内混合15～20小时，使粉末充分均匀化；此时混合粉末 的颗粒尺度为5-45μm。

2)将上述粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为 80～100℃，烘干时间为1～2小时，得到含Re的抗高温碳化钨基金属陶 瓷复合粉末；

3)用丙酮或酒精对中碳钢或合金钢基材表面进行清洗，除去其 表面油渍污物并放于保温箱内35～45℃烘干；采用空气动力喷砂方法 对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化，喷砂处理选用30～50目白刚玉 或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3～0.5MPa，喷砂距离为 120～150mm，喷砂角度为70°～85°；

4)以步骤2)的复合粉末为原料，采用超音速火焰喷涂或高焓等 离子喷涂对基体表面进行喷涂，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂 层；或者采用超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂对基体表面进行喷涂 后，再进行高焓等离子重熔处理，得到抗高温碳化钨基金属陶瓷复合 涂层。

上述制备工艺中，所述的金属粘结剂包覆碳化钨为 WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr或WC-10Co-4Cr-1Ce， 其中WC颗粒的尺寸为1-10μm或者40-100nm；所述的纯Re粉末的纯 度不低于99.99％，颗粒度为40-60nm。

本发明获得的复合涂层的孔隙率＜0.5％；涂层的显微硬度＞ 1300HV0.2；650～850℃下退火处理后，复合涂层的结合强度度达 75MPa以上，复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的 0.08-0.16倍。经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。

本发明通过控制碳化钨粉末颗粒的尺寸，可有效提高涂层的强度 和硬度性能；此外，通过采用高比例的纳米铼，实现了碳化钨基金属 陶瓷复合涂层高温环境下的材料表面抗磨损强化，大量实验研究表 明，铼的颗粒尺度及其添加量对复合涂层的高温性能有着极大影响， 当其添加量在1-3wt％或更低时对涂层的高温耐磨性并没有发现效 果，其涂层与普通碳化钨基金属陶瓷涂层的磨蚀失重几乎相当，提高 其添加量至3-5wt％时，涂层的高温耐磨性及结合性能略有提高，然 而尚不能满足使用需求，只有当纳米铼的添加量达到5-10wt％，形成 W-Re等相，不仅在一定程度上提高了复合涂层的强度和塑性，也显 著提高碳化钨金属陶瓷涂层的抗高温性能，使其再结晶起始温度提高 了约350-450℃，使其工作温度提高200-300℃，从而可以有效解决转 轮退火处理过程中的涂层失效问题。

本发明的有益效果是：本发明的含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷 复合涂层的使用温度相对普通碳化钨基金属陶瓷涂层提高了 200-300℃，大大提高了碳化钨基金属陶瓷涂层的的抗高温性能，制 备方法工艺可靠，性能稳定，适合在需要先喷后焊接之后再高温退火 的水轮机、水泵等抗磨蚀领域应用推广。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步说明。

本发明实施例中采用的超音速火焰喷涂设备为HV-50型超音速 火焰喷涂设备，煤油流量为28～33L/h，煤油压力为1.6～1.8MPa，氧 气流量为850～920L/min，氧气压力为2.0～2.2MPa,送粉速率为60～ 80g/min,氮气流量为12～14L/min,氮气压力为1.0～1.4MPa，喷涂距 离为380mm～410mm。

本发明实施例中采用高焓等离子喷涂设备为100HE高焓等离子 喷涂设备，喷枪功率为80～100kW，氩气流量为280～380SCFH(立方英 尺/小时)，氮气流量为110～140SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为 90～130SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为65～85g/min，喷涂距离 130～180mm。

本发明实施例中采用空气动力喷砂方法对喷涂基体表面进行除 锈和毛化，喷砂处理选用30～50目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为 0.3～0.5MPa，喷砂距离为120～150mm，喷砂角度为70°～85°.

本发明实施例中采用金属粘结剂包覆碳化钨粉末和Re粉末以一 定的质量百分比进行掺杂作为喷涂材料，其中金属粘结剂包覆碳化钨 粉末粒径为5～45μm,含量为90wt％～95wt％，Re粉末含量为5～10 wt％。所述的金属粘结剂包覆碳化钨粉末为所述的金属粘结剂包覆碳 化钨为WC-10Co-4Cr、WC-9Co-5Cr-1Ni、WC10Ni5Cr、 WC-10Co-4Cr-1Ce等；本发明实施例中所用的Re粉末纯度为99.999％。

本发明实施例中喷涂基体采用0Cr13Ni5Mo不锈钢。

实施例1

在粉末粒度为15～45μmWC-10Co-4Cr粉末中掺杂5wt％的纯Re 粉末，并将粉末在球磨机内混合16小时，实现复合粉末的均匀化，混 合粉末粒度为5～45μm。

将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃， 烘干时间为1小时，得到复合粉末。

用丙酮将基材表面清洗干净，并放于保温箱内35℃烘干，除去其 表面油渍污物。喷砂处理采用上述方式。

采用超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为28L/h，煤 油压力为1.7MPa，氧气流量为860L/min，氧气压力为2MPa,送粉速 率为65g/min,氮气流量为12L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为 390mm，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。

该涂层厚度为220μm，涂层的孔隙率为0.31％；涂层的平均显微 硬度为1320HV0.2；850℃下退火处理后，复合涂层的结合强度为 80MPa，复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的0.10倍。经 过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。

对比例1

调整纯Re粉末的掺入量为1wt％，其余步骤与实施例1中步骤均相 同，制得碳化钨基复合涂层，该涂层厚度约为225μm，涂层的孔隙率 为0.41％；涂层的平均显微硬度为1250HV0.2；850℃下退火处理后， 涂层完全脱落。

实施例2

在粉末粒度为5～15μmWC-9Co-5Cr-1Ni粉末中掺杂6.5wt％的纯 Re粉末，在球磨机内混合18小时，实现复合配方粉末的均匀化，混合 粉末粒度为5～45μm。

将上述粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃， 烘干时间为2小时，得到复合粉末。

用酒精将基材表面清洗干净，并放于保温箱内35℃烘干，除去其 表面油渍污物。喷砂处理采用上述方式。

采用高焓等离子喷涂本例中的复合粉末，喷枪功率为90kW，氩 气流量为290SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为110SCFH(立方英尺/ 小时)，氢气流量为90SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为70g/min， 喷涂距离130mm，获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂层。

本例制得的涂层厚度为230μm，涂层的孔隙率为0.49％；涂层的 平均显微硬度为1315HV0.2；800℃下退火处理后，复合涂层的结合 强度为81MPa以上；复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢 的0.11倍。经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。

对比例2

调整纯Re粉末的掺入量为3.5wt％，其余步骤与实施例2中步骤均 相同，制得碳化钨基复合涂层，该涂层厚度约为220μm，涂层的孔隙 率为0.44％；涂层的平均显微硬度为1285HV0.2；800℃下退火处理 后，复合涂层约占面积65％脱落，剩余未脱落部分结合力不超过 25MPa。

实施例3

在粉末粒度为15～45μmWC-10Co-4Cr-1Ce粉末中掺杂7.8wt％的 纯Re粉末，在球磨机内混合20小时，实现复合配方粉末的均匀化，混 合粉末粒度为5～45μm。

将上述粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为85℃，烘 干时间为2小时，得到含Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末。

用酒精将基材表面清洗干净，并放于保温箱内45℃烘干，除去其 表面油渍污物。喷砂处理采用上述方式。

采用超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为30L/h，煤 油压力为1.8MPa，氧气流量为890L/min，氧气压力为2.1MPa,送粉速 率为78g/min，氮气流量为14L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为 400mm。随后采用高焓等离子喷涂对涂层进行重熔，喷枪功率为 96kW，氩气流量为350SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为 120SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为100SCFH(立方英尺/小时)， 喷涂距离130mm，在基材表面获得抗高温碳化钨基金属陶瓷复合涂 层。

本例中涂层厚度为230μm，涂层的孔隙率为0.33％；涂层的平均 显微硬度为1375HV0.2；650℃下退火处理后，复合涂层的结合强度 为88MPa，复合涂层的磨蚀失重为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的0.09倍。 经过退火处理的复合涂层仍表现出良好的抗磨蚀性能。

对比例3

调整纯Re粉末的掺入量为2.0wt％，其余步骤与实施例3中步骤均 相同，制得碳化钨基复合涂层，该涂层厚度约为210μm，涂层的孔隙 率为0.35％；涂层的平均显微硬度为1300HV0.2；650℃下退火处理 后，复合涂层约占面积45％脱落，剩余未脱落部分结合力不超过 31MPa。