一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni‑Ti‑Nb‑碳化物复合涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni‑Ti‑Nb‑碳化物复合涂层，该涂层采用激光熔敷法制得，由Ni：30～45wt％、Ti：30～45wt％、Nb：5～15wt％、碳化物：10～20wt％组成；所述的碳化物为碳化钨(WC)粉末、碳化钛(TiC)粉末、碳化铬(Cr

说明书

技术领域

本发明属于材料表面强化技术领域，具体涉及一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层及其制备方法。

背景技术

在水轮机、水泵等水力机械运行过程中，由于旋转而产生的空泡会引起严重的空化磨损现象，对机械材料表面产生破坏，进而引起水力机械效率降低、出力下降。除了空泡产生的汽蚀外，泥沙冲蚀也会导致过流部件磨损失效，迫使机组运行一段时间后便要停机大修，带来巨大的资源和能源的浪费和经济损失。

NiTiNb合金具有形状记忆效益和超弹性等特点，是一种重要的形状记忆合金，并作为形状记忆结构件应用于航空、航天等领域。最近，发明人在研究过程中发现，NiTiNb合金还具有良好的抗汽蚀性能，在水利机械抗汽蚀领域具有很好的潜在应用价值。然而，目前制备NiTiNb合金主要是通过金属熔炼的方式制备，再经过后期的机械加工成型。这样的制备方式成本大、效率低，且Ni、Ti、Nb价格昂贵，不适合水力机械这样的大型机械设备使用。

激光熔覆技术是一种全新的表面强化技术，它是在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀等的工艺方法。

发明内容

为了解决水力机械因汽蚀和冲蚀导致的材料磨损和失效问题，延长材料的使用寿命，本发明提供了一种成型效率高，且具有高抗汽蚀、高抗冲蚀、高结合强度的耐汽蚀耐冲蚀材料，并适合于水利机械的大面积使用。即：采用激光熔敷技术在基体材料表面制备NiTiNb涂层。为了进一步提高涂层的抗冲蚀性能，在熔敷原材料中添加高硬度的碳化物，以提高熔敷涂层的耐磨性和抗冲蚀性能。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层，为Ni、Ti、Nb及碳化物以质量百分比组成，其成分特征在于Ni：30～45wt％、Ti：30～45wt％、Nb：5～15wt％、碳化物：10～20wt％；所述的碳化物为碳化钨(WC)粉末、碳化钛(TiC)粉末、碳化铬(Cr₃C₂)粉末中的一种粉末、或二种粉末混合或三种粉末混合；

上述技术方案中，当所述的碳化物为两种粉末混合时，其为碳化钨(WC)粉末、碳化钛(TiC)粉末、碳化铬(Cr₃C₂)粉末的任意二种粉末混合而成的复合粉末；

当碳化物为三种粉末混合，其为碳化钨(WC)粉末、碳化钛(TiC)粉末、碳化铬(Cr₃C₂)粉末三种粉末任意比例混合而成的复合粉末。

上述抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括下列步骤：

1)将金属Ni粉、金属Ti粉、金属Nb粉、碳化物粉末按一定的质量百分比进行配置，所述的质量百分比为：Ni：30～45wt％、Ti：30～45wt％、Nb：5～15wt％、碳化物：10～20wt％；所述的碳化物为碳化钨(WC)粉末、碳化钛(TiC)粉末、碳化铬(Cr₃C₂)粉末中的一种或多种的混合，将配置好的粉末在球磨机内混合实现复合粉末的均匀化；

2)将混合均匀的复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干；

3)用丙酮或酒精将熔敷基材表面清洗干净，除去其表面油渍污物，并放于保温箱内预热；

4)利用半导体激光器以同轴送粉方式将已预制好的复合粉末激光熔敷到熔敷基材表面。

上述技术方案中，所述的金属Ni粉、金属Ti粉及金属Nb粉的纯度至少为99.95％。

所述的步骤2)中保温温度为60～100℃，烘干时间为1～2小时。

所述的步骤3)中预热温度为300～400℃。

所述的步骤4)中激光熔敷工艺参数为：激光功率2.0～3.0kW，熔敷移动速度5～150mm/s。

所述的抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层厚度为500～800μm。涂层的显微硬度＞700HV_0.2；涂层的汽蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的25％～35％；在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的30％～40％。

本发明的抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层在显微硬度、抗汽蚀性能和抗冲蚀性能方面有了很大的提高，且制备方法工艺可靠、性能稳定、效率高，生产成本低，适合在水力机械过流部件、压缩机螺杆、启闭机活塞杆、汽轮机涡轮叶片等领域大规模应用。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进一步说明。

本发明实施例中采用的激光熔敷设备设备为LDF-4000半导体光纤激光熔敷设备，激光熔敷工艺参数为：激光功率2.0～3.0kW,熔敷移动速度5～15mm/s。

本发明实施例中采用纯度为99.95％的金属Ni粉、99.95％的金属Ti粉、99.95％的金属Nb粉、碳化物粉末按一定的质量百分比配置的复合粉末作为激光熔敷材料。其质量百分比为：Ni：30～45wt％、Ti：30～45wt％、Nb：5～15wt％、碳化物：10～20wt％。其中的碳化物为碳化钨(WC)粉末、碳化钛(TiC)粉末、碳化铬(Cr₃C₂)粉末中的一种或多种的混合。将配置好的粉末在球磨机内混合10～15小时，实现复合粉末的均匀化。

本发明实施例中喷涂基体采用0Cr13Ni5Mo高强不锈钢。

实施例1

1、将纯度为99.95％的金属Ni粉、纯度为99.95％金属Ti粉、99.95％的金属Nb粉、WC粉末按Ni：38wt％、Ti：35wt％、Nb：9wt％、WC：18wt％的质量百分比进行配置。将配置好的粉末在球磨机内混合10小时，实现复合粉末的均匀化。

2、将混合均匀的复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为70℃，烘干时间为1小时。

3、用丙酮或酒精将熔敷材表面清洗干净，除去其表面油渍污物。并放于保温箱内300℃预热。

4、利用半导体激光器以同轴送粉方式将已预制好的复合粉末激光熔敷到金属基体表面，激光熔敷工艺参数为：激光功率2.6kW,熔敷移动速度10mm/s.

所述的抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-WC厚度为500μm。涂层的显微硬度为780HV_0.2；涂层的汽蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的32％；在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的33％。

实施例2

1、纯度为99.95％的金属Ni粉、纯度为99.95％金属Ti粉、99.95％的金属Nb粉、WC粉末、TiC粉末按Ni：40wt％、Ti：38wt％、Nb：8wt％、WC：8wt％、TiC：6wt％的质量百分比进行配置。将配置好的粉末在球磨机内混合12小时，实现复合粉末的均匀化。

2、将混合均匀的复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60℃，烘干时间为1小时。

3、用丙酮或酒精将熔敷材表面清洗干净，除去其表面油渍污物。并放于保温箱内350℃预热。

4、利用半导体激光器以同轴送粉方式将已预制好的复合粉末激光熔敷到金属基体表面，激光熔敷工艺参数为：激光功率2.5kW,熔敷移动速度8mm/s.

所述的高结合强度抗冲蚀抗汽蚀Ni-Ti-Nb-WC-TiC复合涂层厚度为600μm。涂层的显微硬度为765HV_0.2；涂层的汽蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的30％；在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的35％。

实施例3

1、纯度为99.95％的金属Ni粉、纯度为99.95％金属Ti粉、99.95％的金属Nb粉、WC粉末、TiC粉末、Cr₃C₂粉末按Ni：40wt％、Ti：36wt％、Nb：6wt％、WC：6wt％、TiC：6wt％、Cr₃C₂：6wt％的质量百分比进行配置。将配置好的粉末在球磨机内混合12小时，实现复合粉末的均匀化。

2、将混合均匀的复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为80℃，烘干时间为1小时。

3、用丙酮或酒精将熔敷材表面清洗干净，除去其表面油渍污物。并放于保温箱内300℃预热。

4、利用半导体激光器以同轴送粉方式将已预制好的复合粉末激光熔敷到金属基体表面，激光熔敷工艺参数为：激光功率2.4kW,熔敷移动速度8mm/s。

所述的高结合强度抗冲蚀抗汽蚀Ni-Ti-Nb-WC-TiC-Cr₃C₂复合涂层厚度为600μm。涂层的显微硬度为778HV_0.2；涂层的汽蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的28％；在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢失重量的38％。