一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末及其制備工藝的制作方法

專利名稱：一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種熱噴涂粉末生產技術，特別是ー種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末及其制備エ藝。
背景技術：
熱噴涂技術是表面改質領域中的ー項關鍵技術，通過在被加工エ件表面制備ー層耐磨涂層，使エ件的耐磨性能、耐腐蝕性能獲得大幅提高。熱噴涂WC/Co涂層作為耐磨、耐腐涂層，由于其高的硬度和良好的韌性廣泛地應用于航空航天、冶金、機械等領域。相對于電鍍硬鉻層，熱噴涂WC/Co涂層在耐磨性、耐蝕性、耐疲勞性等方面有明顯的優勢，而且制備速度快，環境污染小。閥門是流體輸送系統的控制元件，也是石油管道系統中的重要組成部件，對大多數閥門來說，由于密封性能差或密封壽命短而產生流體的泄漏，會造成環境污染和經濟損失；有毒有害流體、腐蝕性流體和易燃易爆流體的泄漏不僅會產生重大的經濟損失，甚至會造成人員傷亡。石油化工裝置的操作溫度比較高，介質多為油品、油氣，且易燃、易爆。閥門在使用過程中，其密封面長期受到介質的沖刷和腐蝕，頻繁承受高壓力沖擊。因此石油閥門的密封面通常采用熱噴涂方法在基體金屬上噴涂ー層碳化鎢鈷鉻合金(WC-10Co4Cr)，加工形成密封面。但在使用常規WC_10Co4Cr熱噴涂粉末制備密封面涂層時，由于涂層的致密性、韌性指標不易達到要求，產品合格率一直不高；使用中密封面的安全性也無可靠保障。

發明內容
本發明目的是提供ー種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末及其制備エ藝，它能夠有效改善熱噴涂后涂層的致密性，并且具有優異的韌性。本發明技術方案ー種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末，由碳化鎢、鈷、 鉻以及微量碳化鈦金屬組成，碳化鎢的質量百分比為86%，金屬鈷粉的質量百分比為 9. 2-9. 4 %，金屬鉻粉的質量百分比為4 %，抑制劑碳化鈦的質量百分比為0. 6-0. 8 % ;碳化鎢由納米晶碳化鎢和中顆粒碳化鎢按比例組成，其中納米晶碳化鎢的質量百分比為 25. 8-38. 7%，中顆粒碳化鎢的質量百分比為47. 3-60. 2%。納米晶碳化鎢粒度為0. 05-0. 2微米(BET :3. 0-4. 8m2/g)，中顆粒碳化鎢粒度為 2. 0-5. 0微米的。碳化鈦的粒度為I. 0-1. 5微米。所述熱噴涂粉末的松裝密度為5. 5-6. 2g/cm3。所述熱噴涂粉末的粒度為5-30微米，其中粉末粒度在5-30微米內達92%以上。ー種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末的エ藝，包括以下步驟A、制備質量百分比為25. 8-38. 7%、粒度為0. 05-0. 2微米的納米晶碳化鎢，備好質量百分比為47. 3-60. 2%、粒度為2. 0-5. 0微米的中顆粒碳化鎢；
根據美國英佛曼公司“金屬碳化物的制備方法”專利，專利號2004100430580生產納米晶碳化鎢，中顆粒碳化鎢為通用產品；B、混料首先依據エ藝要求，向球磨設備加入步驟A的納米晶碳化鎢、中顆粒碳化鎢和質量百分比為9. 2-9. 4%鈷粉及質量百分比為4%鉻粉，然后加入占原料質量百分比為25%、 溫度為5-8°C的去離子水及質量百分比為2. 0%的聚こ烯醇進行混料，球磨時間22-28小時；配料時還必須加入質量百分比為0. 3%的抗氧化劑，加入質量百分比為0. 6-0. 8%的晶粒生長抑制劑碳化欽；C、造粒采用開放式離心噴霧干燥塔進行干燥造粒，得到球形混合料，離心霧化盤轉速為 11000-12000 轉 / 分鐘；D、燒結將混合料裝入三層石墨舟皿中，置于鑰絲爐中，在氫氣保護氣氛中進行連續燒結， 推舟速度為11-13分鐘/舟，燒結溫度為ー帶爐溫950°C，ニ帶爐溫1150°C -1250°C ；E、破碎分級燒結后的過程產品采用機械方式破碎，井根據粒度分布區間采用過篩或氣流分級的方式得到最終產品熱噴涂粉末，粒度規格為5-30微米，松裝密度為5. 5-6. 2g/cm3。該新型WC_10Co4Cr熱噴涂粉末主要用于高速空氣燃料噴涂設備制備閥門密封面涂層，因此熱噴涂粉末的粒度分布須在5-30微米之間，并且粒度組成中小于5微米的顆粒質量比為3-8%，大于30微米的顆粒質量比為8-15% ；表1(質量比)
原料名稱納米晶碳化鶴中顆粒碳化鎢鈷粉鉻粉碳化鈦備注實例I25. 8% BET:3. 7m"/g60. 2% 粒度2. 5 P m9. 4%4%0. 6% 粒度2. 5 u m具有較好耐磨性、致密性， 并具有良好的韌性實例238. I BET :3. 7m"/g47. 3% 粒度4. 5 u m9. 2%4%0. 8% 粒度2. 5 u m涂層具有較好韌性、致密性，Ji 具有良好耐磨性本發明由多種一次晶粒度的碳化鎢、鈷粉、鉻粉以及微量碳化鈦金屬組成，碳化鎢的質量百分比為86%，金屬鈷粉的質量百分比為9. 2-9.4%，金屬鉻粉的質量百分比為 4%，抑制劑碳化鈦的質量百分比為0. 6-0. 8% ;碳化鎢由晶粒度為0. 05-0. 2微米的納米晶碳化鎢和2. 0-5. 0微米的中顆粒碳化鎢按比例組成，其中納米晶粒度碳化鎢的質量百分比為25. 8-38. 7%，中顆粒碳化鎢的質量百分比為47. 3-60. 2%。原料配比見表I。經反復試驗得知，如果噴涂粉末中納米晶碳化鎢的質量百分比含量小于25. 8°ん 制備的涂層致密性優秀，但韌性差，壓カ反復變化的工作狀態下易出現裂紋，導致涂層剝落，密封失效；如果噴涂粉末中納米晶碳化鎢的含量質量百分比大于38. 7%，制備的涂層韌性好，但致密性一般，涂層孔隙率較高，極易形成泄漏通道，無法實現密封；因此，本發明的碳化鎢中納米晶粒度碳化鎢的質量百分比確定為25. 7-38. 7%。納米碳化鎢的質量比對涂層的耐磨性、韌性影響較大，因此，必須確保納米碳化鎢的含量比例。當中顆粒碳化鎢的晶粒度小于2. 0微米時，這種熱噴涂粉末的耐摩擦磨損性能不理想；當中顆粒碳化鎢的晶粒度大于5. 0微米時，這種熱噴涂粉末的硬質相不易均勻分布， 彌散強化作用不理想，容易出現明顯軟點。因此，中顆粒碳化鎢的晶粒度在2. 0-5. 0微米時，生產的熱噴涂粉末較好。新型WC_10Co4Cr熱噴涂粉末原料中含有活性較大的納米晶碳化鎢，因此在配料時必須加入質量百分比為0. 3%的抗氧化劑，以抑制其在球磨混料及后序環節的氧化。新型WC-12CO熱噴涂粉末原料中含有納米晶碳化鎢，需要在配料時加入質量百分比為0.6-0. 8%的晶粒生長抑制劑(碳化鈦)，避免碳化鎢在后序燒結過程中晶粒長大。同吋，碳化鈦也作為硬質相均勻分布在涂層，通過彌散強化提高涂層的力學性能。新型WC-10Co4Cr熱噴涂粉末的燒結程度可由松裝密度衡量；新型WC_10Co4Cr熱噴涂粉末的松裝密度對粉末及涂層性能的影響見表2如下；表2
序號產品松比(g/cm3)粉末及涂層性能表現Iく5. 5粉末粒子強度不高，噴涂時上粉率較低；涂層硬度不均勻，易出現硬度軟點。25. 5-6. 2粉末為球形，流動性好，粒子強度好，噴涂上粉率高，涂層致密，硬度高，韌性好。3>6. 2粉末燒結過致密，難破碎；粉末形貌不規則，流動性較差；噴涂時上粉率低，涂層韌性較差。由表2可見新型WC-12CO熱噴涂粉末的松裝密度應選擇5. 5-6. 2g/cm3。本發明積極效果(I)本發明既能確保涂層具有優異的韌性指標，又能獲得良好的硬度、強度，完全適應閥門密封面的使用要求。(2)本發明通過加入不同比例納米晶碳化鎢粉末，有效調節粉末噴涂后涂層的致密性、韌性等相關性能，以滿足不同壓カエ況閥門密封面的密封要求；并通過控制熱噴涂粉末的最終產品的粒度組成，確保了涂層的致密性。(見表I和實施例結論)。
具體實施例方式實施例I以生產200kg噴涂粉為例，原料配比及相應參數見表3，エ藝附后。表3原料名稱納米晶碳化鎢中顆粒碳化鶴鈷粉鉻粉碳化鈦(抑制劑)添加比例77. 4kg (38. 7%) BET :3. 7m2/g94. 6kg (47. 3%) FSSS: 4. 5um18. 4kg (9. 2%)8kg (4%)1.6kg (0.8%)I、按表3數據制備納米碳化鎢，備好中顆粒碳化鎢根據美國英佛曼公司“金屬碳化物的制備方法”專利，專利號2004100430580(中國專利公開號1569625A，申請人已獲得使用許可)生產納米碳化鎢，中顆粒碳化鎢為通用
女ロ )ロロ ；2、混料首先依據エ藝要求，向球磨設備加入質量為77.4kg(38. 7% )的納米晶碳化鎢 94. 6kg(47. 3% )中顆粒碳化鎢、18. 4kg(9. 2% )鈷粉和8kg(4% )鉻粉，然后加入占原料質量百分比為25%、溫度為5-8°C的去離子水50kg及4. Okg(2.0% )的聚こ烯醇進行混料，設備可使用可傾式滾筒球磨機或立式攪拌球磨機，球磨時間為24小吋；由于原料中含有活性較大的納米晶粒度碳化鎢，因此在配料時必須加入0. 6kg(0.3% )的抗氧化劑，以抑制其在混料及后序環節的氧化；同樣由于納米晶粒度碳化鎢的存在，需要在配料時加入 I. 6kg(0. 8% )的晶粒生長抑制劑碳化鈦，美國專利“超細材料使用的晶粒生長抑制劑”(美國專利號US6277774，申請人已獲得使用許可)對此作了詳細描述；同吋，碳化鈦也作為硬質相均勻分布在涂層，通過彌散強化提高涂層的力學性能。3、造粒由于納米晶碳化鎢的存在，材料的流動性能較差，因此采用開放式離心噴霧干燥塔進行干燥造粒，得到球形混合料，使流動很差的超細粉末，經聚合成大的顆粒后，實現了良好的流動性能，從而可用現有熱噴涂設備實現超細級涂層的制備；此技術從工程化角度， 很好地解決了超細粉的供料難題。離心霧化盤轉速為11000轉/分鐘；4、燒結將混合料裝入三層石墨舟皿中，置于鑰絲爐中，在氫氣保護氣氛中進行連續燒結， 推舟速度為12分鐘/舟，燒結溫度為1000°C (—帯)；1250°C (ニ帯)；晶粒生長抑制劑與納米晶碳化鎢可選擇性地在低于晶粒生長溫度之下進行熱處理，從而更有效地使晶粒生長抑制劑加以彌散，并形成超細材料，其中晶粒生長抑制劑均勻地分布于晶粒的晶界；5、破碎分級燒結后的過程產品采用機械方式破碎，井根據粒度組成要求采用過篩和氣流分級的方式得到最終產品熱噴涂粉末，其中粒度規格為5-30微米125kg、15-45微米70kg，生產過程金屬損失約5kg(2. 5% ),其松裝比重為5. 7-6. 2g/cm3。實施例I得到的新型WC_10Co4Cr熱噴涂粉末流動性好，顆粒強度大、致密，制備的涂層具有較好韌性，并具有良好耐磨性、致密性。根據實際數據，采用這種新型熱噴涂粉末與常規熱噴涂粉末進行噴涂對比，在獲得同樣的硬度時，這種新型熱噴涂粉末的韌性比常規粉末高5. 7% ;產品耐壓實驗通過率達到100%。因此該粉末適用于制備超高壓閥門密封面涂層。
實施例2以生產200kg噴涂粉為例，原料配比及相應參數見表4，エ藝附后。I、按表4數據制備納米碳化鎢，備好中顆粒碳化鎢與實施例I相同；表4
原料名稱納米晶碳化鎢中顆粒碳化鶴鈷粉鉻粉碳化鈦(抑制劑)添加比例51. 6kg (25. 8%) BET :3. 7m2/g120.4kg .(60. 2%) FSSS: 2. 5um18. 8kg (9. 4%)8kg (4%)I. 2kg (0. 6%)2、混料首先依據エ藝要求，向球磨設備加入質量為51. 6kg(25. 8% )的納米晶碳化鎢、 120. 4kg(60. 2% )中顆粒碳化鎢、18. 8kg(9.4% )鈷粉和8kg(4%)鉻粉，然后加入占原料質量百分比為25%、溫度為5-8°C的去離子水50kg及4. Okg(2. 0% )的聚こ烯醇進行混料，設備可使用可傾式滾筒球磨機或立式攪拌球磨機，球磨時間為24小時；由于原料中含有活性較大的納米晶粒度碳化鎢，因此在配料時必須加入0. 6kg(0. 3% )的抗氧化劑，以抑制其在混料及后序環節的氧化；同樣由于納米晶粒度碳化鎢的存在，需要在配料時加入 I. 2kg(0. 6% )的晶粒生長抑制劑碳化鈦，美國專利“超細材料使用的晶粒生長抑制劑”(美國專利號US6277774，申請人已獲得使用許可)對此作了詳細描述；3、造粒由于納米晶碳化鎢的存在，材料的流動性能較差，因此采用開放式離心噴霧干燥塔進行干燥造粒，得到球形混合料，使流動很差的超細粉末，經聚合成大的顆粒后，實現了良好的流動性能，從而可用現有熱噴涂設備實現超細級涂層的制備；此技術從工程化角度， 很好地解決了超細粉的供料難題。離心霧化盤轉速為11000轉/分鐘；4、燒結將混合料裝入三層石墨舟皿中，置于鑰絲爐中，在氫氣保護氣氛中進行連續燒結， 推舟速度為12分鐘/舟，燒結溫度為950°C ( 一帯)；1200°C ( ニ帶)；晶粒生長抑制劑與納米晶碳化鎢可選擇性地在低于晶粒生長溫度之下進行熱處理，從而更有效地使晶粒生長抑制劑加以彌散，并形成超細材料，其中晶粒生長抑制劑均勻地分布于晶粒的晶界；5、破碎分級燒結后的過程產品采用機械方式破碎，井根據粒度組成要求采用過篩和氣流分級的方式得到最終產品熱噴涂粉末，其中粒度規格為5-30微米125kg、15-45微米70kg，生產過程金屬損失約5kg(2. 5% ),其松裝比重為5. 5-5. 9g/cm3。實施例2得到的新型WC-10Co4Cr熱噴涂粉末流動性好，顆粒強度較好，且為多孔結構，制備的涂層具有較好耐磨性、致密性，并具有良好韌性。根據實際數據，采用這種新型熱噴涂粉末與常規熱噴涂粉末進行噴涂對比，在獲
7得同樣的韌性時，這種新型熱噴涂粉末的涂層硬度比常規粉末的涂層硬度高6. 5% ;產品耐壓實驗通過率達到100%。因此該粉末適用于制備中低壓閥門密封面涂層。未說明百分比均為質量百分比。
權利要求
1.一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末，其特征是由碳化鎢、鈷、鉻以及微量碳化鈦金屬組成，碳化鎢的質量百分比為86%，金屬鈷粉的質量百分比為9. 2-9. 4%，金屬鉻粉的質量百分比為4%，抑制劑碳化鈦的質量百分比為O. 6-0. 8% ;碳化鎢由納米晶碳化鎢和中顆粒碳化鎢按比例組成，其中納米晶碳化鎢的質量百分比為25. 8-38. 7%，中顆粒碳化鎢的質量百分比為47. 3-60. 2%。
2.根據權利要求I所述的一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末，其特征是納米晶碳化鎢粒度為O. 05-0. 2微米，BET :3. 0-4. 8m2/g ;中顆粒碳化鎢粒度為2. 0-5. O微米的。
3.根據權利要求I所述的一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末，其特征是碳化鈦的粒度為I. 0-1. 5微米。
4.根據權利要求I所述的一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末，其特征是所述熱噴涂粉末的松裝密度為5. 5-6. 2g/cm3。
5.根 據權利要求I所述的一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末，其特征是所述熱噴涂粉末的粒度為5-30微米，其中粉末粒度在5-30微米內達92%以上。
6.一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末的工藝，包括以下步驟A、制備質量百分比為25.8-38. 7%、粒度為O. 05-0. 2微米的納米晶碳化鎢，備好質量百分比為47. 3-60. 2%、粒度為2. 0-5. O微米的中顆粒碳化鎢；根據美國英佛曼公司“金屬碳化物的制備方法”專利，專利號2004100430580生產納米晶碳化鎢，中顆粒碳化鎢為通用產品；B、混料首先依據工藝要求，向球磨設備加入步驟A的納米晶碳化鎢、中顆粒碳化鎢和質量百分比為9. 2-9. 4%鈷粉及質量百分比為4%鉻粉，然后加入占原料質量百分比為25%、溫度為5-8°C的去離子水及質量百分比為2. 0%的聚乙烯醇進行混料，球磨時間22-28小時；配料時還必須加入質量百分比為O. 3%的抗氧化劑，加入質量百分比為O. 6-0. 8%的晶粒生長抑制劑碳化鈦；C、造粒采用開放式離心噴霧干燥塔進行干燥造粒，得到球形混合料，離心霧化盤轉速為 11000-12000 轉 / 分鐘；D、燒結將混合料裝入三層石墨舟皿中，置于鑰絲爐中，在氫氣保護氣氛中進行連續燒結，推舟速度為11-13分鐘/舟，燒結溫度為一帶爐溫950°C，二帶爐溫1150°C -1250°C ；E、破碎分級燒結后的過程產品采用機械方式破碎，并根據粒度分布區間采用過篩或氣流分級的方式得到最終產品熱噴涂粉末，粒度規格為5-30微米，松裝密度為5. 5-6. 2g/cm3。
全文摘要
本發明涉及一種熱噴涂粉末生產技術，特別是一種用于制備超高壓密封涂層的熱噴涂粉末及其制備工藝。本發明由碳化鎢、鈷、鉻以及微量碳化鈦金屬組成，碳化鎢的質量百分比為86％，金屬鈷粉的質量百分比為9.2-9.4％，金屬鉻粉的質量百分比為4％，抑制劑碳化鈦的質量百分比為0.6-0.8％；碳化鎢由納米晶碳化鎢和中顆粒碳化鎢按比例組成，其中納米晶碳化鎢的質量百分比為25.8-38.7％，中顆粒碳化鎢的質量百分比為47.3-60.2％。本發明還包括了相應制備的工藝。它能夠有效改善熱噴涂后涂層的致密性，并且具有優異的韌性。
文檔編號B22F1/00GK102586712SQ20121006187
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月11日 優先權日2012年3月11日
發明者唐智華, 張立濤, 黃文峰 申請人:贛州章源鎢業新材料有限公司