一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层及其制备工艺的制作方法
【专利摘要】一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层，包括喷涂涂层，所述喷涂涂层的喷涂材料为掺杂有稀土氧化物成分的纳米碳化钨粉末，所述的纳米碳化钨粉末为纳米WC-10Co4Cr粉末，其粒径为15-53μm；所述掺杂稀土氧化物为Sc2O3、La2O3或Ce2O3，含量为：0.5wt%-3wt%。本发明的耐磨涂层显微硬度为1350-1450HV0.2，其表面抗磨能力达到ZG06Cr13Ni4Mo的140倍以上，自腐蚀电位及自腐蚀电流密度都小于普通碳化钨涂层，具有更大的显微硬度、结合强度和更小的孔隙率。表面喷涂上述涂层的水轮机的抗冲蚀、抗腐蚀性能有了大幅度提高，使表面材料的使用寿命提高12.5-25倍。
【专利说明】一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层及其制备工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层及其制备工艺。
【背景技术】
[0002]现有技术中，水力机械不同程度地遭受各种沙石冲蚀和汽蚀破坏，运行一段时间后，水力机械便需要停机大修，不得不更换水力机械部件，尤其水力机械的关键过流部件等。在含沙量大的水流中，由于泥沙的高速冲刷和撞击，对其产生严重的冲蚀，使得材料受破坏而耗损，同时由于水环境中含有较多的腐蚀介质，如氯离子等，对水力机械部件表面材料等产生过了较大的腐蚀。在泥沙的冲蚀和腐蚀介质的不断腐蚀作用下，引起水力机械部件功能的失效，进而使得水力机械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。
[0003]如上所述，为了防止沙粒冲蚀以及汽蚀造成的损害，研究人员通过抗磨母材的选用、结构优化设计、有机涂料的涂覆等方式，在一定程度上提高水力机械表面抗冲蚀性能。这些方法虽有一定作用，但效果不明显，仍存在比较严重的冲蚀现象，难以实现突破性的进展。
[0004]现有技术中超音速火焰喷涂可制备具有一定防护作用的普通涂层，对抗冲蚀具有一定作用，但是通常的涂层的孔隙率、耐腐蚀性差、韧性较低、结合强度低等致命缺陷，导致涂层在外力冲击下容易脱落，限制了涂层在水力机械表面防护上的应用。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种具有高硬度、低孔隙率、高结合强度、抗冲蚀、抗冲蚀性能的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层及其制备工艺。
[0006]本发明采用的技术方案是:
一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层，包括喷涂涂层，其特征在于:所述喷涂涂层的喷涂材料为掺杂有稀土氧化物成分的纳米碳化钨粉末，所述的纳米碳化钨粉末为纳米WC-10Co4Cr粉末，其粒径为15-53 μ m ;所述掺杂稀土氧化物为Sc203、La203或Ce2O3,含量为:0.5wt%_3wt%。
[0007]进一步，所述喷涂涂层为采用闭环超音速火焰喷涂设备喷涂的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层。
[0008]进一步，所述喷涂涂层为厚度200-300 μ m的稀土掺杂纳米复合碳化钨涂层。
[0009]上述涂层的制备工艺，其制备步骤如下:
步骤(I):选用纳米碳化钨粉末材料中掺杂稀土氧化物，碳化钨为WC-10Co-4Cr，其粒径为15-53 μ m,稀土氧化物Sc203、La203或Ce2O3,含量在0.5wt%_3wt%，利用混粉机进行粉末混合，混合时间不小于3天；
步骤(2)将稀土掺杂纳米碳化钨粉末平铺，放于保温箱内烘干，烘干温度为100-120°C，烘干时间为1-3小时； 步骤(3):将喷涂基体用丙酮或乙醇清洗干净，并烘干除油，然后对表面进行喷砂处理，喷砂处理采用棕刚玉或白刚玉，粒径为20-40 μ m，喷砂压力为0.3-0.5MPa ；
步骤(4):将喷涂基体固定，采用闭环超音速火焰喷涂设备喷涂稀土掺杂纳米碳化钨粉末，采用煤油流量24-30L/h，煤油压力1.2-1.6MPa，氧气流量46_55m3/h，送分速率60-100g/min,载气压力1.0-1.5MPa，喷涂距离340-400mm，获得稀土掺杂纳米复合碳化钨涂层。
[0010]本发明所述的稀土掺杂纳米复合碳化钨涂层厚度为200-300微米，涂层的微观组织结构为:碳化钨均匀分布在粘结剂内，涂层的孔隙率< 0.5%;涂层的显微硬度>1300HV0.2 ;涂层的拉伸强度> 70MPa ;在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢的0.04-0.08倍。与超音速火焰喷涂普通碳化钨涂层相比，稀土掺杂纳米复合碳化钨涂层的硬度、结合强度、抗冲蚀、耐冲蚀性能有了很大的提高。
[0011]本发明提供的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层，其耐磨涂层显微硬度为1350-1450HVa2，其表面抗磨能力达到ZG06Crl3Ni4Mo的140倍以上，自腐蚀电位及自腐蚀电流密度都小于普通碳化钨涂层，与普通碳化钨涂层相比，具有更大的显微硬度、结合强度和更小的孔隙率。表面喷涂上述涂层的水轮机的抗冲蚀、抗腐蚀性能有了大幅度提高，使表面材料的使用寿命提高12.5-25倍。本发明水轮机的制备工艺可靠，性能稳定，适合大规模批量生产，不仅试用于水轮机叶片、转轮等水力机械，还可应用于冶金、电力、造纸等行业的易腐蚀易磨损部件的表面防护与强化。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为扫描电子显微镜所显示的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层示意图。
图2为稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的显微硬度值图，其中的“XI”为未掺杂稀土的碳化钨陶瓷涂层的显微硬度值，“X2”为掺杂lwt%Sc203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层显微硬度值，“X3”为掺杂1.5wt%La203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层显微硬度值。
[0013]图3为稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的摩擦磨损失重量图，其中“Ml”为未掺杂稀土的碳化钨陶瓷涂层的摩擦磨损失重量，“M2”为掺杂lwt%Sc203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的摩擦磨损失重量，“M3”为掺杂1.5wt%La203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的摩擦磨损失重量。
[0014]图4为稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的冲蚀失重量图，其中“Ml”为未掺杂稀土的碳化钨陶瓷涂层的冲蚀失重量，“M2”为掺杂lwt%Sc203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的冲蚀失重量,“M3”为掺杂1.5wt%La203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的冲蚀失重量。
[0015]图5为稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的抗拉结合强度值图，其中“LI”为未掺杂稀土的碳化钨陶瓷涂层的抗拉结合强度值图，“L2”为掺杂lwt%Sc203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的抗拉结合强度值，“L3”为掺杂1.5wt%La203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的抗拉结合强度值。
[0016]图6为掺杂lwt%Sc203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的拉伸结合强度试验曲线。
[0017]图7为为掺杂1.5wt%La203的纳米复合碳化钨陶瓷涂层的拉伸结合强度试验曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些【具体实施方式】。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
[0019]本发明实施例中采用闭环超音速火焰喷涂设备，煤油流量为24_30L/h，煤油压力为1.2-1.6MPa，氧气流量为46_55m3/h，氧气压力为1.5-1.7MPa。
[0020]本发明实施例中喷砂处理采用20-40目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.3-0.5MPa,喷砂距离为100-150_，喷砂角度为75° -85。。
[0021]本发明实施例中喷涂采用的粉末为稀土掺杂纳米WC_10Co4Cr粉末，粉末粒径15-53 μ m。其中掺杂稀土成分为稀土氧化物Sc203、La2O3或Ce2O3,含量在0.5wt%_3wt%，利用专用混粉机进行粉末混合，混合次数不少于3万次；
本发明实施例中喷涂基体采用ZG06Crl3Ni4Mo高强不锈钢。
[0022]实施例1
将纳米WC-10Co4Cr粉末与Sc2O3混合，其中Sc2O3含量为lwt%，采用三维混粉试验机将粉末混合均匀，转速为25RPM，混合次数为4万次。
[0023]将稀土掺杂纳米碳化钨粉末平铺，放于保温箱内烘干，烘干温度为120°C，烘干时间为2小时。
[0024]将不锈钢表面用丙酮和酒精清洗干净并烘干，然后对表面进行喷砂处理以除去表面氧化皮等杂质。喷砂处理采用上述方式。
[0025]将喷涂作业基体I用夹具固定，采用闭环超音速火焰喷涂设备喷涂稀土掺杂纳米碳化钨粉末，喷涂工艺参数为:煤油流量24L/h，氧气流量54m3/h，送分速率80g/min，载气流量为10L/min，喷涂距离360mm，获得稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层2，见图1。
[0026]参见图2-6可知本实施例得到的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的参数如下:涂层厚度为250 μ m，涂层的孔隙率为0.23% ;涂层的平均显微硬度为1364HVa2 ;涂层的拉伸强度74MPa ;在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢的0.1倍。
[0027]实施例2
将纳米WC-10Co4Cr粉末与La2O3混合，其中La2O3含量为1.5wt%，采用三维混粉试验机将粉末混合均匀，转速为25RPM，混合次数为4万次。
[0028]将稀土掺杂纳米碳化钨粉末平铺，放于保温箱内烘干，烘干温度为100°C，烘干时间为3小时。
[0029]将不锈钢表面用丙酮和酒精清洗干净并烘干。表面喷砂处理同实施例一。
[0030]将喷涂作业基体I用夹具固定，采用超音速火焰喷涂设备喷涂纳米碳化钨粉末，喷涂工艺参数为:煤油流量28L/h，氧气流量52m3/h，送分速率70g/min，载气流量为1L/min，喷涂距离400mm，获得稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层2，见图1。
[0031]参见图2-5、图7可知本实施例得到的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的参数如下:涂层厚度为240 μ m涂层的孔隙率为0.16% ;涂层的显微硬度为1435HVa2 ;涂层的拉伸强度为75MPa ;在含沙流水中涂层的冲蚀失重量仅为高强不锈钢的0.07倍。
【权利要求】
1.一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层，包括喷涂涂层，其特征在于:所述喷涂涂层的喷涂材料为掺杂有稀土氧化物成分的纳米碳化钨粉末，所述的纳米碳化钨粉末为纳米WC-10Co4Cr粉末，其粒径为15-53 μ m ;所述掺杂稀土氧化物为Sc203、La203或Ce2O3,含量为:0.5wt%_3wt%。
2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层，其特征在于:所述喷涂涂层为采用闭环超音速火焰喷涂设备喷涂的稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层。
3.根据权利要求1或2所述的一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层，其特征在于:所述喷涂涂层为厚度200-300 μ m的稀土掺杂纳米复合碳化钨涂层。
4.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层的制备工艺，其制备步骤如下: 步骤(I):选用纳米碳化钨粉末材料中掺杂稀土氧化物，碳化钨为WC-10Co-4Cr，其粒径为15-53 μ m,稀土氧化物Sc203、La203或Ce2O3,含量在0.5wt%_3wt%，利用混粉机进行粉末混合，混合时间不小于3天； 步骤(2)将稀土掺杂纳米碳化钨粉末平铺，放于保温箱内烘干，烘干温度为100-120°C，烘干时间为1-3小时； 步骤(3):将喷涂基体用丙酮或乙醇清洗干净，并烘干除油，然后对表面进行喷砂处理，喷砂处理采用棕刚玉或白刚玉，粒径为20-40 μ m，喷砂压力为0.3-0.5MPa ； 步骤(4):将喷涂基体固定，采用闭环超音速火焰喷涂设备喷涂稀土掺杂纳米碳化钨粉末，采用煤油流量24-30L/h，煤油压力1.2-1.6MPa，氧气流量46_55m3/h，送分速率60-100g/min,载气压力1.0-1.5MPa，喷涂距离340-400mm，获得稀土掺杂纳米复合碳化钨涂层。
【文档编号】C23C4/10GK104513944SQ201410186130
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】陈小明, 吴燕明, 周夏凉, 赵坚, 伏利, 毛鹏展, 程文韬, 马红海, 王莉容, 吴韬 申请人:水利部产品质量标准研究所, 水利部杭州机械设计研究所