一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种涂层及其制备方法和应用，其中，该涂层由纳米SiC和微米CoNiCrAlY球磨制备的混合粉料通过超音速氧燃料喷涂机喷涂在不锈钢基底表面，再经过真空热处理制得。通过一次喷涂与特定的真空热处理技术相结合的方法，在不锈钢基底表面超音速氧燃料喷涂微米CoNiCrAlY和纳米SiC复合涂层，操作工艺简单易实现，最终在不锈钢表面形成完整、连续、光滑的涂层，减少了涂层表面的厚度和界面之间的结合面，改善了涂层和基底的结合强度，而且能够显著改善不锈钢表面耐热耐磨性能。
【专利说明】
-种改善不诱钢耐热耐磨性能的涂层及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明设及一种涂层及其制备方法和应用，具体设及一种改善不诱钢耐热耐磨性 能的涂层及其制备方法和应用，属于不诱钢表面改性技术领域。
【背景技术】
[0002] 不诱钢材料除具有优良的耐腐蚀性能外，还具有良好的耐热、耐磨及抗蠕变性能， 运些优异性能使不诱钢材料在水泥热工设备中得到广泛的应用，但在800~IOOCTC高溫的 服役过程中，会受到大量飞灰、煤粉、含有较高硫分化2S、S化、S化等）高溫烟气的冲刷腐蚀， 除了受到高溫氧化、高溫磨损的综合作用，同时还容易与飞灰中的金属氧化物（如K20,化2〇 等)发生化学反应，生成低烙点的Na2S〇4-K2S〇4吸附在炉管表面，并进一步与表面的Fe2〇3发 生作用，生成烙点约600°(：的立元共晶复合烙盐[Fe2(S04)3-K2S04-Na2S04]，W烙融态沉积在 零件表面，使零件发生电化学为主的热腐蚀，其腐蚀速率远高于一般的高溫氧化或硫化，从 而导致零件发生早期失效。
[0003] 陶瓷材料具有烙点高、抗腐蚀和抗氧化性强、耐热性和化学稳定性好、弹性模量、 硬度和高溫强度高的特点，因此常将陶瓷粉末喷涂或沉积在金属基体（如不诱钢材料)表 面，W达到隔热、防腐蚀、耐磨和延长寿命的作用。但在使用过程中发生热循环时，高溫合金 基底与表面陶瓷涂层间由于热膨胀系数的差异而产生巨大的热失配应力，使得陶瓷涂层产 生拉应力而脱落。因此，一般热障涂层包括S层，在合金基底与陶瓷隔热层之间的104巧粘 结层、由元素扩散氧化形成的热生长氧化物层TGO和外层陶瓷隔热层。但是，喷涂粘结底层 和陶瓷工作涂层的方法工序复杂、成本较高，制约了其工业化应用进程，因此，将工作涂层 和粘结底层结合的方法制备涂层，将陶瓷颗粒直接加入到粘结底层中，运样可获得与基体 结合良好的涂层，并且涂层兼具高溫耐热、耐磨、耐腐蚀等综合性能，满足使用的要求，但是 该方法的工艺过程还是过于复杂。
[0004] 鉴于此，有必要采用简化的工艺过程对不诱钢表面进行改性，W优化其耐热耐磨 等性能，现有技术中对于此领域研究较少。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改善不诱钢耐热耐磨性能的 涂层及该涂层的制备方法，可在热工设备零部件上规模化应用。
[0006] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种改善不诱钢耐热耐磨性能的涂层，将由纳米SiC和微米CoNiCrAU球磨制备的 混合粉料通过超音速氧燃料喷涂机喷涂在不诱钢基底表面，制备成复合涂层，再经过真空 热处理制得。
[000引上述纳米SiC和微米CoNiCrAU混合粉料中，纳米SiC的质量百分含量为总粉料的 1% ~5%。
[0009] 上述不诱钢基底优选为310S不诱钢。
[0010] 上述涂层厚度为180~280皿。
[0011] 上述的一种改善不诱钢耐热耐磨性能的涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0012] Sl、制备纳米SiC和微米CoNi化MY混合粉料:将纳米SiC和微米CoNi化MY按质量 配比进行混合，利用高能球磨机进行球磨混合处理，采用乙醇作为悬浮液，球磨转速为 28化/min，正转和反转相结合，球磨时间为3~化；
[0013] S2、不诱钢基底表面预处理:对不诱钢基底进行除油、打磨、喷砂、清洗并吹干待 用；
[0014] S3、不诱钢基底安装:将经步骤S2表面预处理的不诱钢基底安装在夹具中，将夹具 固定于超音速氧燃料喷涂机的支架上；
[0015] S4、超音速氧燃料喷涂:将步骤Sl制得的纳米SiC和微米CoNiCrAU混合粉料装入 超音速氧燃料喷涂机的料桶，用喷枪将混合粉料喷涂在不诱钢基底表面，不诱钢基底与喷 枪之间的距离为350-380mm，送粉器内的气体流量为21scfh;
[0016] S5、真空热处理:将喷涂有涂层的不诱钢基底放入真空热处理炉中进行真空热处 理，加热时间为100~150min，保溫溫度为1000~Iioor，保溫时间为1~化，加热阶段的真 空度为1~10 X 10-3化，保溫阶段的真空度为3-6 X 10-3化。
[0017] 上述步骤S2中的打磨具体操作为:将不诱钢基底在预磨机上采用型号为400#水砂 纸打磨，直到表面没有大的划痕。
[0018] 上述步骤S2中的喷砂具体操作为:将不诱钢基底在喷砂机中喷砂20min。
[0019] 上述步骤S2中的清洗具体操作为:将不诱钢基底依次放入丙酬和乙醇中，超声清 洗各20min。
[0020] 上述步骤S4中的气体为氣气或氮气，氣气优选为高纯氣气，氮气优选为高纯氮气。
[0021] 上述的一种改善不诱钢耐热耐磨性能的涂层应用于石油化工、机械、造船领域的 热工设备零部件上。
[0022] 经研究发现，M化AlY(M = Co、化或Co+Ni)涂层W其优异的抗高溫氧化、抗热腐蚀、 较高的塑性和与基材较好的结合性能等而广泛用于抗高溫氧化防护涂层，但其涂层的硬度 相对较低，在摩擦磨损、特别是高溫摩擦磨损条件下工作时，涂层使用寿命很短。SiC具有优 良的高溫抗氧化和高溫强度，并且硬度高、耐磨性好、热膨胀系数小、热导率大、抗热震和耐 化学腐蚀良好，已在许多高技术领域(如空间物理、核技术等)及基础产业(如石油化工、机 械、造船等)得到应用，但是其在金属材料尤其是不诱钢材料领域的应用存在一些问题。
[0023] 超速氧燃料喷涂是一项新技术，其最大优点是操作成本相对较低、设备相对简单、 生产效率高，本发明中将其应用于喷涂微米CoNiCrAU和纳米SiC复合涂层，简化了工艺过 程并获得了较好质量的涂层。
[0024] 本发明的有益之处在于:本发明通过一次喷涂与特定的真空热处理技术相结合的 方法，在不诱钢基底表面超音速氧燃料喷涂微米CoNiCrAU和纳米SiC复合涂层，操作工艺 简单易实现，最终在不诱钢表面形成完整、连续、光滑的涂层，涂层一次即可喷涂到不诱钢 表面，减少了涂层表面的厚度和界面之间的结合面，改善了涂层和基底的结合强度，而且能 够显著改善不诱钢表面耐磨性能。经检测，该涂层厚度在300wiiW下，CoNiCrAU和纳米SiC 发挥协同作用从而大大提高了不诱钢的耐磨性能，能够延长不诱钢的使用寿命，满足特殊 领域的使用需求，具有良好的经济效益和社会效益。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的实施例1中制备得到的CoNiCrAlY和SiC混合粉末的扫描电镜图；
[0026] 图2是本发明的实施例2中制备得到的CoNiCrAlY和SiC混合粉末的扫描电镜图；
[0027] 图3是本发明的实施例1改性后不诱钢的摩擦磨损后宏观形貌图；
[0028] 图4是本发明的实施例2改性后不诱钢的摩擦磨损后宏观形貌图；
[0029] 图5是未经改性的不诱钢(对比例1)摩擦磨损后宏观形貌图；
[0030] 图6是本发明的实施例1、实施例3及对比例1的不诱钢摩擦磨损失重率比较图。
【具体实施方式】
[0031] W下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0032] 本发明中各主要原料/设备的来源(购买厂家)/型号为：
[0033] 纳米SiC:泛锐复合材料研究院，型号:FR-C-001-1
[0034] 微米CoNiCrAlY: Sulzer Metco公司，型号:Andry 9951
[0035] 310S不诱钢基底:南京欧兰达不诱钢有限公司
[0036] 球磨机:Pulverisett-G单罐罐式高能球磨机
[0037] 超音速氧燃料喷涂机:SX-8000型燃油超音速喷涂设备，广州S蠢金属科技有限公 司生产
[0038] 真空热处理炉:真空扩散焊炉，合盛隆机电设备(深圳)有限公司生产
[0039] 氣气/氮气:南京特种气体厂
[0040] 实施例：
[0041]
[0042] 性能检测结果
[0043]
[0044] 由表2可见，通过在310S不诱钢表面喷涂CoNi化AlY/SiC复合涂层，能够在不诱钢 表面形成完整、连续、光滑、结合良好的涂层，再经过真空热处理，
[0045] 可明显提高310S不诱钢的高溫抗氧化性和耐磨性。
[0046] 通过高溫抗氧化性试验对比，发现表面改性使310S不诱钢在相同条件下氧化增重 减少，喷涂CoNi化AlY+l%SiC涂层的氧化增重与没有喷涂之前相比下降约13.84%，喷涂 CoNiCrAlY+3%SiC的下降约 10.89%，而喷涂CoNiCrAlYW%SiC的下降约7.74%。
[0047] 通过喷涂和热处理后试样与310S不诱钢摩擦磨损实验对比，发现表面改性使310S 不诱钢在相同条件下的磨损失重量减小，喷涂CoNiCrAlY+1 % SiC涂层的磨损失重率与没有 喷涂之前相比下降约42.37%，喷涂(：〇化化41￥+3%51(：的下降32.05%，而喷涂(：〇化化41￥+ 5%51(：的下降约21.61%。
[0048] W上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该 了解，上述实施例不W任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的 技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层，其特征在于，将由纳米SiC和微米CoNiCrAlY 球磨制备的混合粉料通过超音速氧燃料喷涂机喷涂在不锈钢基底表面，制备成复合涂层， 再经过真空热处理制得。2. 根据权利要求1所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层，其特征在于，所述纳米 SiC和微米CoNiCrAlY混合粉料中，纳米SiC的质量百分含量为总粉料的1%~5%。3. 根据权利要求1所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层，其特征在于，所述不锈 钢基底为310S不锈钢。4. 根据权利要求1所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层，其特征在于，涂层厚度 为 180 ~280μηι。5. 如权利要求1-4任一项所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层的制备方法，其 特征在于，包括如下步骤： 51、 制备纳米SiC和微米CoNiCrAlY混合粉料:将纳米SiC和微米CoNiCrAlY按质量配比 进行混合，利用高能球磨机进行球磨混合处理，采用乙醇作为悬浮液，球磨转速为280r/ min，正转和反转相结合，球磨时间为3~6h; 52、 不锈钢基底表面预处理:对不锈钢基底进行除油、打磨、喷砂、清洗并吹干待用； 53、 不锈钢基底安装:将经步骤S2表面预处理的不锈钢基底安装在夹具中，将夹具固定 于超音速氧燃料喷涂机的支架上； 54、 超音速氧燃料喷涂:将步骤S1制得的纳米SiC和微米CoNiCrAlY混合粉料装入超音 速氧燃料喷涂机的料桶，用喷枪将混合粉料喷涂在不锈钢基底表面，不锈钢基底与喷枪之 间的距离为350-380mm，送粉器内的气体流量为21 s cfh; 55、 真空热处理:将喷涂有涂层的不锈钢基底放入真空热处理炉中进行真空热处理，加 热时间为100~150min，保温温度为1000~1100°C，保温时间为1~3h，加热阶段的真空度为 1~10X10-3Pa，保温阶段的真空度为3~6X10-3Pa。6. 根据权利要求5所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层的制备方法，其特征在 于，步骤S2中的打磨具体操作为:将不锈钢基底在预磨机上采用型号为400#水砂纸打磨，直 到表面没有大的划痕。7. 根据权利要求5所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层的制备方法，其特征在 于，步骤S2中的喷砂具体操作为:将不锈钢基底在喷砂机中喷砂20min。8. 根据权利要求5所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层的制备方法，其特征在 于，步骤S2中的清洗具体操作为:将不锈钢基底依次放入丙酮和乙醇中，超声清洗各20min。9. 根据权利要求5所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层的制备方法，其特征在 于，步骤S4中的气体为氩气或氮气，所述氩气为高纯氩气，所述氮气为高纯氮气。10. 如权利要求1-4任一项所述的一种改善不锈钢耐热耐磨性能的涂层应用于石油化 工、机械、造船领域的热工设备零部件上。
【文档编号】C23C4/06GK105861975SQ201610220878
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】张炎, 梅雨菲, 周宁, 刘正钦, 杨少锋
【申请人】南京工程学院