专利名称：WC-Co-Cr热喷涂粉末及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及热喷涂技术领域，特别是涉及热喷涂粉末制备技术领域。具体地，本发明涉及用于制备超高压密封和耐腐蚀涂层的WC-Co-Cr热喷涂粉末及其制备方法。
背景技术：
热喷涂技术是表面改质领域中的一项关键技术，通过在被加工工件表面制备一层耐磨涂层，使工件的耐磨性能、耐腐蚀性能获得大幅提高。热喷涂WC/Co涂层作为耐磨、耐腐涂层，由于其高的硬度和良好的韧性广泛地应用于航空航天、冶金、机械等领域。相对于电镀硬铬层，热喷涂WC/Co涂层在耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性等方面有明显的优势，而且制备速度快，环境污染小。阀门是流体输送系统的控制元件，也是石油管道系统中的重要组成部件，对大多数阀门来说，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的泄漏，会造成环境污染和经济损失；有毒有害流体、腐蚀性流体和易燃易爆流体的泄漏不仅会产生重大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。石油化工装置的操作温度比较高，介质多为油品、油气，且易燃、易爆。阀门在使用过程中，其密封面长期受到介质的冲刷和腐蚀，频繁承受高压力冲击，因此石油阀门的密封面通常采用热喷涂方法在基体金属上喷涂一层碳化钨钴铬合金(WC-10Co4Cr)，加工形成密封面。但在使用常规WC-10Co4Cr热喷涂粉末制备密封面涂层时，由于涂层的致密性、韧性、耐腐蚀性指标不易达到要求,产品合格率一直不高,且使用中密封面的安全性也无可靠保障。因而，现阶段的WC-Co-Cr热喷涂粉末仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够用于制备超高压密封和耐腐蚀涂层的新型WC-Co-Cr热喷涂粉末。根据本发明的一个方面，本发明提供了一种WC-Co-Cr热喷涂粉末。根据本发明的实施例，该WC-Co-Cr热喷涂粉末包括:86.0重量份的碳化钨混合物；9.8-10.2重量份的钴；4.0重量份的铬；0.3-0.6重量份的碳化钛；以及0.3重量份的抗氧化剂，其中，该碳化钨混合物包括:13.2-25.6重量份粒度为0.05-0.2微米的碳化钨；15.0-31.5重量份，优选25.0重量份粒度为1.0-2.5微米的碳化钨；以及24.5-65重量份，优选35.4-47.8重量份粒度为4.5-9.0微米的碳化钨。发明人惊奇地发现，本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末，耐蚀性能非常好，甚至达到WC-Cr3C2-Ni粉末的耐腐蚀性能的同等以上水平，从而能够应用于沿海领域或岛屿国家的耐腐工件上。此外，根据本发明的实施例，本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末，具有优异的韧性和耐腐蚀性，能够有效改善热喷涂后涂层的致密性，从而能够有效用于制备超高压密封、耐腐蚀涂层，进而能够有效保障密封面的安全性。
另外，根据本发明的实施例，本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末还可以具有如下附加的技术特征:根据本发明的一个实施例，本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末的粒度为15_53微米，松装密度为4.2-5.0g/cm3。由此，该WC-Co-Cr热喷涂粉末为球形，流动性好，粒子强度好，喷涂上粉率高，涂层致密、硬度高、韧性好、耐腐蚀性好，能够用于高速氧气助燃煤油燃料喷涂设备，制备阀门密封面涂层、耐腐蚀性涂层。根据本发明的另一个实施例，本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末的粒度为5_30微米，松装密度为5.5-6.lg/cm3。由此，该WC-Co-Cr热喷涂粉末为球形，粒子强度好，喷涂上粉率高，涂层致密、硬度高、韧性好、耐腐蚀性好，能够用于高速空气燃料喷涂设备。根据本发明的一个实施例，该抗氧化剂为选自油溶性抗氧化剂、水溶性抗氧化剂和兼溶性抗氧化剂的至少一种，优选水溶性抗氧化剂，更优选水基型抗氧化剂。其中，在本文中所使用的表达方式“水基型抗氧化剂”是指这样一种抗氧化剂，该抗氧化剂成分能够与纯水互溶，与水介质互溶分散，并且能够阻止水、氧气对包含该氧化剂的产品造成氧化影响。由此，在制备本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末时，在水基球磨过程中，分散后的抗氧化剂对粉末即球磨产物表面能够起到抗氧化的保护作用。根据本发明的一个实施例，碳化钛的粒度为1.0-1.5微米。根据本发明的另一方面，本发明还提出了前面所述的本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末在制备超高压密封和耐腐蚀涂层中的用途。具体地，因为本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末具有优异的韧性和耐腐蚀性，能够有效改善热喷涂后涂层的致密性，从而能够有效用于制备超高压密封、耐腐蚀涂层，进而能够有效保障密封面的安全性。根据本发明的又一方面，本发明还提出了一种制备前面所述的WC-Co-Cr热喷涂粉末的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤:将13.2-25.6重量份粒度为
0.05-0.2微米的碳化钨 、15-31.5重量份，优选25.0重量份粒度为1.0-2.5微米的碳化钨和24.5-65重量份，优选35.4-47.8重量份粒度为4.5-9.0微米的碳化钨进行混合，以便获得碳化钨混合物；将86.0重量份的该碳化钨混合物、9.8-10.2重量份的钴、4.0重量份的铬、0.3-0.6重量份的碳化钛、0.3重量份的抗氧化剂、25.0重量份的去离子水和2.0重量份的聚乙烯醇混合并进行球磨处理，以便获得球磨产物；将该球磨产物进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物；将该球形混合物进行烧结处理，以便获得烧结产物；以及按照粒度为15-53微米，松装密度为4.2-5.0g/cm3或粒度为5_30微米，松装密度为5.5-6.lg/cm3的规格，将该烧结产物依次进行破碎和分级处理，以便获得该WC-Co-Cr热喷涂粉末。根据本发明的实施例，利用该方法能够方便、有效地制备本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末，并且工艺简单、成本低廉，制备获得的WC-Co-Cr热喷涂粉末具有优异的韧性和耐腐蚀性，能够有效改善热喷涂后涂层的致密性，从而能够有效用于制备超高压密封、耐腐蚀涂层。根据本发明的实施例，本发明的制备WC-Co-Cr热喷涂粉末的方法还可以具有如下附加的技术特征:根据本发明的一个实施例，该抗氧化剂为选自油溶性抗氧化剂、水溶性抗氧化剂和兼溶性抗氧化剂的至少一种，优选水溶性抗氧化剂，更优选水基型抗氧化剂。由此，在本发明的制备WC-Co-Cr热喷涂粉末的方法中，在水基球磨过程中经分散的抗氧化剂对粉末即球磨产物表面能够起到抗氧化的保护作用。
根据本发明的一个实施例，该去离子水的温度为10_15°C。由此，可以控制球磨过程中粉末和水介质的氧化程度，有利于产品质量的稳定。根据本发明的一个实施例，进行球磨处理20-28小时。这是因为，首先，球磨时间低于20小时，则各种原材料粉末混合不均匀容易造成成分聚集；其次，球磨时间超过28小时，则粗晶粒碳化钨(4.5-9.0微米)粒子在超长球磨后平均粒度会下降，从而影响产品中不同碳化钨粒度比例。根据本发明的一个实施例，采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒处理。根据本发明的一个实施例，该开放式离心喷雾干燥塔的离心雾化盘转速为11000-12000转/分钟。这是因为，本发明的制备WC-Co-Cr热喷涂粉末的方法采用的是离心雾化工艺，而雾化盘的转速会直接影响混合料的粒度粗细及分布:当雾化器转速低于11000转/分钟时，生产粉末的粒度整体偏粗，且粒度分布不集中；当雾化器转速高于12000转/分钟时，生产粉末的粒度整体偏细，导致细粉偏多，在喷涂过程中会影响粉末的流动性、粘枪管等情况；而本发明在上述转速范围内生产的粉末其粒度分布适应产品所要求的粒度分布。根据本发明的一个实施例，于氢气氛围中进行烧结处理。这是因为:1、氢气具有还原性，可以保证物料在加温条件下物料不被氧化，从而使烧结产品氧含量低；2、氢气穿透性好，可以作为载气将混合料中起粘结作用的有机物裂解成分带出，从而减少残留。根据本发明的实施例，烧结处理是于置于钥丝炉的三层石墨舟皿中进行的。其中，根据本发明的一个实施例，推舟速度为12-14分钟/舟，烧结温度为一带炉温950°C，二带炉温1150°C -1250°C。由此， 进行脱脂、烧结处理后，获得的WC-Co-Cr热喷涂粉末中的有机物被裂解挥发、粉末在烧结过程中收缩、合金化，具有一定的结合强度，有利于喷涂作业的稳定。需要说明的是，本发明正是基于发明人经反复试验才获得的下列发现才完成的:第一，发明人发现，利用上述方法制备WC-Co-Cr喷涂粉末时，碳化钨混合物中纳米晶碳化钨的含量对WC-Co-Cr喷涂粉末所制备的涂层的耐磨性、韧性、耐腐蚀性影响较大。当碳化钨混合物中纳米晶碳化钨的含量小于13.2重量份时，所得WC-Co-Cr喷涂粉末制备的涂层致密性优秀，但韧性差，在压力反复变化的工作状态下易出现裂纹，导致涂层剥落，密封失效，且其盐雾腐蚀性能一般；当碳化钨混合物中纳米晶碳化钨的含量大于25.6重量份时，所得WC-Co-Cr热喷涂粉末制备的涂层韧性好，但致密性一般，涂层孔隙率较高，极易形成泄漏通道，无法实现密封。因此，发明人将碳化钨混合物中纳米晶碳化钨的含量确定为13.2-25.6重量份，并将纳米晶碳化钨的粒度确定为0.05-0.2微米。第二，发明人发现，中颗粒碳化钨由于粒度相对更粗，不易均匀分布，弥散强化作用不理想，容易出现明显软点；细颗粒耐摩擦磨损性能较优，纳米碳化钨的加入可以很好的填补中颗粒和细颗粒以及两者之间的空隙，提高涂层的致密性，且有利于粘结相的均匀分布，因此，当产品中含有纳米碳化钨、细颗粒、中颗粒三种颗粒时，三者按一定的最佳的填充比例，有利于三者的优势互补，降低粉末的缺陷，生产的热喷涂粉末综合性能较好。基于上述发现，发明人又通过多次实验选择确定了组成碳化钨混合物的各成分的规格及含量:13.2-25.6重量份粒度为0.05-0.2微米的纳米晶碳化钨、15-31.5重量份，优选25.0重量份粒度为1.0-2.5微米的细颗粒碳化钨和24.5-65重量份，优选35.4-47.8重量份粒度为4.5-9.0微米的中颗粒碳化钨。第三，发明人发现，利用上述方法制备WC-Co-Cr喷涂粉末时，由于原料中含有活性较大的纳米晶碳化钨，因此必须添加抗氧化剂。发明人通过多次试验验证，发现添加0.3重量份的抗氧化剂，能够有效抑制纳米晶碳化钨在球磨处理及后续步骤中的氧化。第四，发明人发现，由于原料中含有纳米晶碳化钨，还需要添加晶粒生长抑制剂，以避免在后续烧结处理中碳化钨晶粒长大。而添加0.6-0.8重量份的碳化钛能够有效避免烧结处理中碳化钨晶粒长大，并且将所得WC-Co-Cr喷涂粉末制备涂层时，碳化钛也能够作为硬质相均匀分布在涂层，通过弥散强化提高涂层的力学性能。第五，发明人发现，所得WC-Co-Cr热喷涂粉末的松装密度与其性能以及利用其制备的涂层的性能，例如粉末形状、粒子强度、喷涂上粉率，以及制备涂层的致密度、硬度、韧性和耐腐蚀性，紧密相关。具体地，如下表所示:
权利要求
1.一种WC-C0-Cr热喷涂粉末，其特征在于，包括: 86.0重量份的碳化钨混合物； 9.8-10.2重量份的钴； 4.0重量份的铬； 0.3-0.6重量份的碳化钛；以及 0.3重量份的抗氧化剂， 其中，所述碳化钨混合物包括: 13.2-25.6重量份粒度为0.05-0.2微米的碳化钨； 15.0-31.5重量份，优选25.0重量份粒度为1.0-2.5微米的碳化钨；以及 24.5-65重量份，优选35.4-47.8重量份粒度为4.5-9.0微米的碳化钨。
2.根据权利要求1所述的WC-Co-Cr热喷涂粉末，其特征在于，所述WC-Co-Cr热喷涂粉末的粒度为15-53微米，松装密度为4.2-5.0g/cm3。
3.根据权利要求1所述的WC-Co-Cr热喷涂粉末，其特征在于，所述WC-Co-Cr热喷涂粉末的粒度为5-30微米，松装密度为5.5-6.lg/cm3。
4.根据权利要求1所述的W C-Co-Cr热喷涂粉末，其特征在于，所述抗氧化剂为选自油溶性抗氧化剂、水溶性抗氧化剂和兼溶性抗氧化剂的至少一种，优选水溶性抗氧化剂，更优选水基型抗氧化剂。
5.根据权利要求1所述的WC-Co-Cr热喷涂粉末，其特征在于，所述碳化钛的粒度为1.0-1.5 微米。
6.权利要求1-5任一项所述的WC-Co-Cr热喷涂粉末在制备超高压密封和耐腐蚀涂层中的用途。
7.一种制备权利要求1-5任一项所述的WC-Co-Cr热喷涂粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤: 将13.2-25.6重量份粒度为0.05-0.2微米的碳化钨、15-31.5重量份，优选25.0重量份粒度为1.0-2.5微米的碳化钨和24.5-65重量份，优选35.4-47.8重量份粒度为4.5-9.0微米的碳化钨进行混合，以便获得碳化钨混合物； 将86.0重量份的所述碳化钨混合物、9.8-10.2重量份的钴、4.0重量份的铬、0.3-0.6重量份的碳化钛、0.3重量份的抗氧化剂、25.0重量份的去离子水和2.0重量份的聚乙烯醇混合并进行球磨处理，以便获得球磨产物； 将所述球磨产物进行干燥造粒处理，以便获得球形混合物； 将所述球形混合物进行烧结处理，以便获得烧结产物；以及 按照粒度为15-53微米，松装密度为4.2-5.0g/cm3或粒度为5_30微米，松装密度为5.5-6.lg/cm3的规格，将所述烧结产物依次进行破碎和分级处理，以便获得所述WC-Co-Cr热喷涂粉末。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述抗氧化剂为选自油溶性抗氧化剂、水溶性抗氧化剂和兼溶性抗氧化剂的至少一种，优选水溶性抗氧化剂，更优选水基型抗氧化剂， 任选地，所述去离子水的温度为10-15°C， 任选地，进行所述球磨处理20-28小时，任选地，采用开放式离心喷雾干燥塔进行所述干燥造粒处理， 任选地，所述开放式离心喷雾干燥塔的离心雾化盘转速为11000-12000转/分钟。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，于氢气氛围中进行所述烧结处理。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述烧结处理是于置于钥丝炉的三层石墨舟皿中进彳丁的， 任选地，推舟速度为12-14分钟/舟， 烧结温度为一带炉温950°C，二带炉温1150°C -1250°C。
全文摘要
本发明公开了WC-Co-Cr热喷涂粉末及其制备方法和用途。其中，该WC-Co-Cr热喷涂粉末包括86.0重量份的碳化钨混合物；9.8-10.2重量份的钴；4.0重量份的铬；0.3-0.6重量份的碳化钛；以及0.3重量份的抗氧化剂，其中，该碳化钨混合物包括13.2-25.6重量份粒度为0.05-0.2微米的碳化钨；15.0-31.5重量份粒度为1.0-2.5微米的碳化钨；以及24.5-65重量份粒度为4.5-9.0微米的碳化钨。本发明的WC-Co-Cr热喷涂粉末具有优异的韧性和耐腐蚀性，能够有效改善热喷涂后涂层的致密性，从而能够有效用于制备超高压密封、耐腐蚀涂层。
文档编号C22C29/08GK103225053SQ20131016182
公开日2013年7月31日 申请日期2013年5月3日 优先权日2013年5月3日
发明者王韶毅, 杨凤根, 廖文星, 周勇京 申请人:赣州澳克泰工具技术有限公司