專利名稱：一種碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層制備方法
技術領域：
本發明屬于表面工程技術，涉及材料、電力、冶金、機械等技術領域。
背景技術：
電力工業是國民經濟的支柱產業。火力發電廠鍋爐燃煤產生的粉煤灰和爐渣約占耗煤 量的1/5左右，粉煤灰和爐渣的處理成為火力發電的重要生產環節。除灰的方法主要分為
兩種 一種是采用水力除灰系統清理和輸送灰渣(簡稱水除灰)；另一種是采用氣力除灰 系統清理和輸送灰渣(簡稱干除灰)。由于干除灰系統具有節約水資源、對環境無污染、 灰渣可再利用等優點，目前國外發達國家火力發電廠均采用干除灰系統，我國40%以上的 火力發電廠也已從國外引進干除灰系統。但是，干除灰系統零部件嚴重的磨損問題一直是 干除灰技術在我國廣泛應用的主要障礙，也是影響火力發電廠運行效率、運行安全及發電 成本的主要問題之一。
火電廠干除灰系統的磨損形式主要為沖蝕磨損。為了提高除灰系統的耐磨性能，我國 主要采用傳統的電弧堆焊耐磨材料或電鍍硬鉻方法，迄今為止，這兩種方法均不能明顯提 高干除灰系統的耐沖蝕磨損性能和使用壽命。國外發達國家主要采用表面工程技術，在干 除灰系統易磨損零部件表面制備耐磨涂層，提高其耐磨性和使用壽命。根據干除灰系統的 磨損形式，陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層是提高干除灰系統耐沖蝕磨損性能的有利選 擇對策。碳化鎢陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐蝕性；NiCrBSi合金具有自熔性及良 好的潤濕性；等離子噴涂技術具有涂層種類多、噴涂工藝穩定、涂層質量高、對零部件尺 寸無限制等優點。因此，采用等離子噴涂技術，在千除灰系統易磨損零部件表面制備碳化 鉤陶瓷顆粒增強金屬基復合材料(WCp/NiCrBSi)涂層，顯著提高其耐磨性及使用壽命， 具有重要的工程應用價值和廣闊的應用前景。
發明內容
本發明的目的是提供一種碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層制備方法，該方法 基于碳化轉陶瓷材料的高硬度、耐磨性、耐蝕性，NiCrBSi合金良好的自熔性和潤濕性及 等離子噴涂技術的特點，在低碳鋼基材表面制備碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料 (WCp/NiCrBSi)涂層，提高耐沖蝕耐磨性能。
3本發明的上述目的通過以下技術方案實現
一種碳化鉤陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層制備方法，按已下工藝步驟進行
a) 噴涂粉末篩選對純度>99.9 %的WC陶瓷粉末和由15-20 %Cr、 3.0-4.5 %B、 4.0-6.0 %Si、 0.5-1.1 %C、 〈5.0。/。Fe和余量為Ni組成的NiCrBSi合金粉末分別進行篩選，獲得粒 度為50 jLim-100 |am的陶瓷粉末和粒度為60 jim的NiCrBSi合金粉末，以此控制復
合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體的粒徑；
b) 將篩選后的陶瓷粉末和合金粉末按一定質量百分比均勻混合，形成
33-37%WC+67-63%NiCrBSi混合噴涂粉末，以控制復合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體的 體積分數及WCVNiCrBSi、涂層/基材界面的結合性能；
c) 粉末按一定比例混合噴涂前，用丙酮清洗低碳鋼基材表面去除油污；而后采用射 吸式噴砂機和16#棕剛玉砂對低碳鋼基材表面噴砂處理，增加表面粗糙度；
d) 控制等離子噴涂參數控制等離子噴涂參數使WC陶瓷粉末顆粒僅表面局部熔化，
而NiCrBSi合金粉末顆粒整體完全熔化，實現WCp/NiCrBSi復合材料涂層的制備；等離子 噴涂參數為電流400 A-430 A;電壓48V-50V;主氣Ar 45 L/min-47 L/min;次氣PL 1 L/min-2 L/min;送粉速度30 g/min-34 g/min;噴涂距離80 mm-100 mm;噴涂速度130 mm/s-170 mm/s;
e) 采用等離子噴涂技術和WC+NiCrBSi混合噴涂粉末，在噴砂處理的基材表面制備 WCp/NiCrBSi復合材料涂層，在等離子噴涂過程中，等離子噴槍用機器手控制以保證噴涂 工藝及涂層質量穩定。
所述的將篩選后的陶瓷粉末和合金粉末按一定質量百分比均勻混合，具體為 33-37%WC+67-63%NiCrBSi。
試驗結果表明，WCp/Ni&BSi復合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體的粒徑、體積分數 及WCVNiCrBSi、涂層/基材界面的結合性能，對復合材料涂層的耐沖蝕耐磨性能具有明顯 的影響。通過優化WC、 NiCrBSi噴涂粉末的粒度，WC粉末在WC+NiCrBSi混合粉末中 的質量百分數及等離子噴涂工藝參數獲得的WCp/MCrBSi復合材料涂層(厚度為200 — 400 pm)，可顯著提高耐沖蝕磨損性能。
本發明的方法制備的WCVNiCrBSi復合材料涂層的組成及達到的性能指標(1) WCVNiCrBSi復合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體粒徑為30 nm-80 pm、體積分數為28 %-34 %; (2)復合材料涂層與低碳鋼基材間的界面結合強度為26 MPa-37 MPa; (3) WCVNiCrBSi復合材料涂層的沖蝕磨損率為5.3 X l(T3 mm3/g-5.9 X 10—3 mm3/g，與低碳鋼基 材相比(33.9X l(T3 mm3/g)， WCP/NiCrBSi涂層的耐沖蝕磨性能提高6倍以上。
本發明具有以下主要優點(1) WCp/NiCrBSi復合材料涂層的WC陶瓷顆粒增強體具有高的硬度、耐磨性、耐蝕性，可顯著提高耐沖蝕磨損性能；(2) NiCrBSi合金基體材料 具有良好自熔性和潤濕性，且價格低于鈷基合金，有利于提高增強體/基體、涂層/基材界 面結合性能及涂層的使用性能，也可降低涂層制備成本；G)碳化鎢陶瓷材料熔點高(2776 'C)、熱導率低，而NiCrBSi合金熔點相對較低( U8(TC)、熱導率較高，通過優化等離 子噴涂參數，有利于實現WCp/NiCrBSi復合材料涂層的制備。
圖l是WCp/NiCrBSi復合材料涂層組織。 圖2是WCP/NiCrBSi界面。
具體實施例方式
本發明制備WQVNiCrBSi復合材料涂層的工藝流程為涂層設計一噴涂粉末篩選一粉 末按一定比例混合一基材表面處理一控制等離子噴涂參數一制備WCVNiCrBSi涂層。
對WC陶瓷粉末(純度>99.9 %)和NiCrBSi合金粉末(15-20 %Cr, 3.0-4.5 %B， 4.0-6.0 %Si， 0.5-1.1 %C， <5.0%Fe， Ni二余量)分別進行篩選，獲得粒度為50 ]um-lOO |im的陶瓷 粉末和粒度為60 的NiCrBSi合金粉末，以此控制復合材料涂層中WC陶瓷顆
粒增強體的粒徑。將篩選后的陶瓷粉末和合金粉末按一定質量百分比均勻混合，形成 33-37%WC+67-63%NiCrBSi混合噴涂粉末，以控制復合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體的 體積分數及WCp/NiCrBSi、涂層/基材界面的結合性能。噴涂前，用丙酮清洗低碳鋼基材表 面去除油污；而后采用射吸式噴砂機和16#棕剛玉砂對低碳鋼基材表面噴砂處理，增加表 面粗糙度。采用等離子噴涂技術和WC+NiCrBSi混合噴涂粉末，在噴砂處理的基材表面制 備WCp/NiCrBSi復合材料涂層，在等離子噴涂過程中，等離子噴槍用機器手控制以保證噴 涂工藝及涂層質量穩定；控制等離子噴涂參數使WC陶瓷粉末顆粒僅表面局部熔化，而 NiCrBSi合金粉末顆粒整體完全熔化，實現WCp/NiCrBSi復合材料涂層的制備；等離子噴 涂參數為電流400A-430A;電壓48V-50V;主氣(Ar) 45 L/min-47 L/min;次氣(H2) 1 L/min-2 L/min;送粉速度30 g/min-34 g/min;噴涂距離80 mm-100 mm;噴涂速度130 mm/s-170 mm/s。
下面以在低碳鋼干除灰閥門密封面等離子噴涂制備WCp/NiCrBSi復合材料涂層為例， 詳細說明本發明的具體實施方式
。
實施例1、采用35n/。WC+65"/。NiCrBSi混合噴涂粉末，等離子噴涂參數為電流410 A; 電壓49 V;主氣(Ar) 46L/min;次氣(H2) 1.5 L/min;送粉速度32 g/min;噴涂距離90 mm;噴涂速度150mm/s，制備WCP/NiCrBSi復合材料涂層。WCP/NiCrBSi涂層的沖蝕耐磨率為5.3 X l(T3 mm3/g-5.6X l(T3 mm3/g;涂層/基材界面結合強度為30 MPa-36 MPa。
實施例2、采用33%WC+67%NiCrBSi混合噴涂粉末，等離子噴涂參數為電流410 A; 電壓49 V;主氣(Ar) 46L/min;次氣(H2) 1.5 L/min;送粉速度32 g/min;噴涂距離卯 mm;噴涂速度150mm/s，制備WCP/NiCrBSi復合材料涂層。WCP/NiCrBSi涂層的沖蝕耐 磨率為5.5 X l(T3 mm3/g-5.8 X 10'3 mm3/g;涂層/基材界面結合強度為30 MPa-37 MPa。
實施例3、采用37%WC+63%NiCrBSi混合噴涂粉末，等離子噴涂參數為電流410 A; 電壓49 V;主氣(Ar) 46 L/min;次氣(H2) 1.5 L/min;送粉速度32 g/min;噴涂距離90 mm;噴涂速度150mm/s，制備WCP/NiCrBSi復合材料涂層。WCP/NiCrBSi涂層的沖蝕耐 磨率為5.4X If)—3 mm3/g-5.8X 10'3 mm3/g;涂層/基材界面結合強度為26 MPa-31 MPa。
實施例4、采用35%WC+65%NiCrBSi混合噴涂粉末，等離子噴涂參數為電流400 A; 電壓48 V;主氣(Ar) 45 L/min;次氣(H2) 1 L/min;送粉速度30 g/min;噴涂距離80 mm;噴涂速度130mm/s，制備WCP/NiCrBSi復合材料涂層。WCp/NiCrBSi涂層的沖蝕耐 磨率為5.3 X l(T3 mm3/g-5.9X 10—3 mm3/g;涂層/基材界面結合強度為27 MPa-33 MPa。
實施例5、采用35%WC+65%NiCrBSi混合噴涂粉末，等離子噴涂參數為電流430 A; 電壓50 V;主氣(Ar) 47 L/min;次氣(H2) 2 L/min;送粉速度34 g/min;噴涂距離100 mm;噴涂速度150mm/s，制備WCP/NiCrBSi復合材料涂層。WCP/NiCrBSi涂層的沖蝕耐 磨率為5.5 X 10—3 mm3/g-5.9X 10—3 mm3/g;涂層/基材界面結合強度為30 MPa-37 MPa。
實施例6、采用33。/。Al203+67。/。NiCrBSi混合噴涂粉末，等離子噴涂參數為電流400 A;電壓48 V;主氣(Ar) 45 L/min;次氣(H2) 1 L/min;送粉速度30 g/min;噴涂距離 80 mm;噴涂速度130 mm/s，制備WQVNiCrBSi復合材料涂層。WCP/NiCrBSi涂層的沖 蝕耐磨率為5.3 X 10—3 mm3/g-5.9X l(T3 mm3/g;涂層/基材界面結合強度為26 MPa-35 MPa。
權利要求
1、一種碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層制備方法，其特征在于按以下工藝步驟進行a)噴涂粉末篩選對純度＞99.9％的WC陶瓷粉末和由15-20％Cr、3.0-4.5％B、4.0-6.0％Si、0.5-1.1％C、＜5.0％Fe及余量為Ni組成的NiCrBSi合金粉末分別進行篩選，獲得粒度為50μm-100μm的陶瓷粉末和粒度為60μm-130μm的NiCrBSi合金粉末，以此控制復合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體的粒徑；b)將篩選后的陶瓷粉末和合金粉末按一定質量百分比均勻混合，形成33-37％WC+67-63％NiCrBSi混合噴涂粉末，以控制復合材料涂層中WC陶瓷顆粒增強體的體積分數及WCP/NiCrBSi、涂層/基材界面的結合性能；c)粉末按一定比例混合噴涂前，用丙酮清洗低碳鋼基材表面去除油污；而后采用射吸式噴砂機和16#棕剛玉砂對低碳鋼基材表面噴砂處理，增加表面粗糙度；d)控制等離子噴涂參數控制等離子噴涂參數使WC陶瓷粉末顆粒僅表面局部熔化，而NiCrBSi合金粉末顆粒整體完全熔化，實現WCP/NiCrBSi復合材料涂層的制備；等離子噴涂參數為電流400A-430A；電壓48V-50V；主氣Ar45L/min-47L/min；次氣H2 1L/min-2L/min；送粉速度30g/min-34g/min；噴涂距離80mm-100mm；噴涂速度130mm/s-170mm/s；e)采用等離子噴涂技術和WC+NiCrBSi混合噴涂粉末，在噴砂處理的基材表面制備WCP/NiCrBSi復合材料涂層，在等離子噴涂過程中，等離子噴槍用機器手控制以保證噴涂工藝及涂層質量穩定。
2、 根據權利要求1所述的一種碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層制備方法， 其特征在于，所述的將篩選后的陶瓷粉末和合金粉末按一定質量百分比均勻混合，具體為 33-37%WC+67-63%NiCrBSi。
全文摘要
本發明涉及設計材料、電力、冶金、機械等技術領域的表面工程技術，特別是涉及一種碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料涂層制備方法。該方法基于碳化鎢陶瓷材料的高硬度、耐磨性、耐蝕性，NiCrBSi合金良好的自熔性和潤濕性及等離子噴涂技術的特點，在低碳鋼基材表面制備碳化鎢陶瓷顆粒增強金屬基復合材料(WC<sub>P</sub>/NiCrBSi)涂層，提高耐沖蝕耐磨性能。本發明制備WC<sub>P</sub>/NiCrBSi復合材料涂層的工藝流程為涂層設計→噴涂粉末篩選→粉末按一定比例混合→基材表面處理→控制等離子噴涂參數→制備WC<sub>P</sub>/NiCrBSi涂層。
文檔編號C23C24/00GK101580939SQ20091006714
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者任振安, 孫大千, 宣兆志, 宮文彪, 王文權, 谷曉燕, 韓耀武 申請人:吉林大學