技术领域

本发明涉及一种热喷涂粉末，用于通过高速火焰喷涂如高速氧燃料(HVOF)喷涂法 或者爆炸火焰喷涂法形成热喷涂涂层的应用中。

                               背景技术

气蚀是由冲击波和微射流造成的现象，其产生于腐蚀固体表面的气穴的塌陷，气蚀是 发生在液体设备如水轮机或者抽水机中的问题。在一个需要将气蚀的发生作为考虑因素的 情况下，解决这一问题的传统方法包括用具有良好的抗气蚀性的材料形成主体部分或者用 具有良好抗气蚀性的材料涂覆该主体部分。已知的具有良好的抗气蚀性的材料的实例包括 钴基合金，例如钨铬钴合金(stellite alloys)，一种含有13％铬的马氏体不锈钢，以及由日 本公开专利No.8-60278公开的复合材料。已知的具有良好抗气蚀性的涂层的实例包括日本 公开专利No.2001-107833和No.2003-247084中所公开的涂层。

但是，在这些传统技术能够赋予好的抗气蚀性的同时，在很多情况下它们不能赋予足 够的对由包含在流体中的硬颗粒引起的磨损的抗受性(即，抗浆蚀性)。此外，由于日本 公开专利No.2001-107833和No.2003-247084中公开的涂层是通过等离子转移弧工艺或者 是通过加热以熔合热喷涂自熔性合金涂层来形成的，因此对基质的热效应是不能忽视的。

                               发明内容

因此，本发明的目的是提供一种热喷涂粉末，它能够形成抗气蚀性和抗浆蚀性两方面 都很优良的热喷涂涂层。

为了实现前述和其他目的，按照本发明的目的，提供一种热喷涂粉末。这种热喷涂粉 末包括合金陶瓷颗粒，每种合金陶瓷颗粒都包括平均一次粒度为3-9μm的碳化钨粒子和 含铬的金属粒子或陶瓷粒子。

从下面的描述和对本发明原理的实施例的例举，本发明的其他方面和优点将变得显而 易见。

                             具体实施方式

现在将描述本发明的第一实施方式。

按照第一实施方式的热喷涂粉末主要用于通过高速火焰喷涂或者爆炸火焰喷涂法形 成热喷涂涂层的应用，其由合金陶瓷粒子形成。每一种合金陶瓷粒子都是碳化钨粒子和含 铬的钴基合金粒子的复合材料。合金陶瓷粒子的平均粒径为2-50μm。

如果每一种合金陶瓷粒子的压缩强度太低，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的 抗气蚀性可能稍微变差。为了防止抗气蚀性因压缩强度太低而变差，每一种合金陶瓷粒子 的压缩强度优选为400MPa或者更大，更优选为500Mpa或者更大，并且最优选为600Mpa 或者更大。另一方面，如果每一种合金陶瓷粒子的压缩强度太高，则有这种热喷涂粉末形 成的热喷涂涂层的抗气蚀性也可能稍微变差。为了防止抗气蚀性因压缩强度太高而变差， 每一种合金陶瓷粒子的压缩强度优选为900MPa或者更小，更优选为800Mpa或者更小， 并且最优选为700Mpa或者更小。

如果碳化钨粒子的平均一次粒度低于3μm或者超过9μm，则用这种热喷涂粉末形成 的热喷涂涂层的抗气蚀性不好，并且在多数情况下抗浆蚀性也很低。因此，碳化钨粒子的 平均一次粒度必须为3-9μm。但是，即使碳化钨粒子的平均一次粒度在3-9μm的范围内， 当碳化钨粒子的平均一次粒度小于4μm时，更甚者小于5μm时，用这种热喷涂粉末形 成的热喷涂涂层的抗气蚀性也可能稍微变差。因此，为了防止抗气蚀性因碳化钨粒子的平 均一次粒度太小而变差，碳化钨粒子的平均一次粒度优选为4μm或者更大，更优选为5 μm或者更大。当碳化钨粒子的平均一次粒度超过8μm时，更甚者超过7μm时，用这 种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的抗气蚀性也可能稍微变差。因此，为了防止抗气蚀性因 碳化钨粒子的平均一次粒度太大而变差，碳化钨粒子的平均一次粒度优选为8μm或者更 小，更优选为7μm或者更小。

如果包含在每一种合金陶瓷粒子中的钴的量太小，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂 涂层的抗气蚀性因热喷涂涂层不是非常坚硬而可能稍微变差。为了防止抗气蚀性因钴含量 太小而变差，每一种合金陶瓷粒子中的钴含量优选为5wt％或者更多，更优选为7wt％或者 更多。另一方面，如果包含在每一种合金陶瓷粒子中的钴的量太大，则用这种热喷涂粉末 形成的热喷涂涂层的抗浆蚀性可能稍微变差。为了防止抗浆蚀性因钴含量太大而变差，每 一种合金陶瓷粒子中的钴含量优选为20wt％或者更少，更优选为12wt％或者更少。

如果包含在每一种合金陶瓷中的铬的量太小，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层 的抗浆蚀性可能变差。为了防止抗浆蚀性因铬含量太小而变差，每一种合金陶瓷粒子中的 铬含量优选为1wt％或者更多，更优选为3wt％或者更多。另一方面，如果包含在每一种合 金陶瓷粒子中的铬的量太大，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的抗气蚀性可能稍微 变差。为了防止抗浆蚀性因铬含量太大而变差，每一种合金陶瓷粒子中的铬含量优选为 10wt％或者更少，更优选为5wt％或者更少。

按照第一实施方式的热喷涂粉末通过粒化和烧结法制造。在通过粒化和烧结法制造热 喷涂粉末的过程中，将碳化钨粒子和含铬的钴基合金粒子分散于适当的分散介质中以制备 浆液。接下来，使用喷射造粒机通过喷射干燥已制得的浆液来制备颗粒状粉末。所得到的 颗粒状粉末经过烧结和进一步的粉碎和分级，得到按照本第一实施方式的热喷涂粉末。

现在将描述本发明的第二实施方式。

和按照第一实施方式的热喷涂粉末一样，按照第二实施方式的热喷涂粉末主要用于通 过高速火焰喷涂或者爆炸火焰喷涂法形成热喷涂涂层的应用，其由合金陶瓷粒子形成。每 一种合金陶瓷粒子都是碳化钨粒子、碳化铬粒子和金属镍粒子的复合材料。合金陶瓷粒子 的平均粒径为2-50μm。

如果每一种合金陶瓷粒子的压缩强度太低，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的 抗气蚀性可能稍微变差。为了防止抗气蚀性因压缩强度太低而变差，每一种合金陶瓷粒子 的压缩强度优选为400MPa或者更大，更优选为500Mpa或者更大，并且最优选为600Mpa 或者更大。另一方面，如果每一种合金陶瓷粒子的压缩强度太高，则有这种热喷涂粉末形 成的热喷涂涂层的抗气蚀性也可能稍微变差。为了防止抗气蚀性因压缩强度太高而变差， 每一种合金陶瓷粒子的压缩强度优选为900MPa或者更小，更优选为800Mpa或者更小， 并且最优选为700Mpa或者更小。

如果碳化钨粒子的平均一次粒度低于3μm或者超过9μm，则用这种热喷涂粉末形成 的热喷涂涂层的抗气蚀性不好，并且在多数情况下抗浆蚀性也很低。因此，碳化钨粒子的 平均一次粒度必须为3-9μm。但是，即使碳化钨粒子的平均一次粒度在3-9μm的范围内， 当碳化钨粒子的平均一次粒度小于4μm时，更甚者小于5μm时，用这种热喷涂粉末形 成的热喷涂涂层的抗气蚀性也可能稍微变差。因此，为了防止抗气蚀性因碳化钨粒子的平 均一次粒度太小而变差，碳化钨粒子的平均一次粒度优选为4μm或者更大，更优选为5 μm或者更大。当碳化钨粒子的平均一次粒度超过8μm时，更甚者超过7μm时，用这 种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的抗气蚀性也可能稍微变差。因此，为了防止抗气蚀性因 碳化钨粒子的平均一次粒度太大而变差，碳化钨粒子的平均一次粒度优选为8μm或者更 小，更优选为7μm或者更小。

如果包含在每一种合金陶瓷中的铬的量太小，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层 的抗浆蚀性可能变差。为了防止抗浆蚀性因铬含量太小而变差，每一种合金陶瓷粒子中的 铬含量优选为wt12％或者更多，更优选为wt14％或者更多。另一方面，如果包含在每一种 合金陶瓷粒子中的铬的量太大，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的抗气蚀性可能稍 微变差。为了防止抗浆蚀性因铬含量太大而变差，每一种合金陶瓷粒子中的铬含量优选为 25wt％或者更少，更优选为20wt％或者更少。

如果包含在每一种合金陶瓷粒子中的镍的量太小，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂 涂层的抗气蚀性可能变差。为了防止抗气蚀性因镍含量太小而变差，每一种合金陶瓷粒子 中的镍含量优选为5wt％或者更多。另一方面，如果包含在每一种合金陶瓷粒子中的镍的 量太大，则用这种热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的抗浆蚀性可能稍微变差。为了防止抗浆 蚀性因镍含量太大而变差，每一种合金陶瓷粒子中的钴含量优选为15wt％或者更少。

和按照第一实施方式的热喷涂粉末一杆，第二实施方式的热喷涂粉末也通过粒化和烧 结法制造。但是，作为热喷涂粉末的原料，用碳化钨粒子、碳化铬粒子和金属镍粒子代替 第一实施方式中所描述的碳化钨粒子和含铬的钴基合金粒子。

所述实施方式具有下面的优点。

总的说来，热喷涂合金陶瓷粒子形成的热喷涂涂层中，合金陶瓷粒子中的金属粒子形 成基体，其中，合金陶瓷粒子中的陶瓷粒子分散在该基体中。随着合金陶瓷粒子中的陶瓷 粒子尺寸的增大，热喷涂涂层中合金陶瓷粒子之间的粘附强度(粒子间粘结强度)因锤击 效应而增大。另外，随着合金陶瓷粒子中的陶瓷粒子尺寸的增大，每一种陶瓷粒子对于热 喷涂涂层中的基体的接触表面积增大。因此，在对按照第一和第二实施方式的热喷涂粉末 形成的热喷涂涂层(其中碳化钨粒子的平均一次粒度为相对大的3μm或者更大)施以来 自气穴塌陷的震动或者来自流体中坚硬粒子的摩擦时，其能够显著地减少陶瓷粒子和合金 陶瓷粒子从热喷涂涂层中脱落。因此，按照第一和第二实施方式的热喷涂粉末能够形成兼 具良好的抗气蚀性和抗浆蚀性的热喷涂涂层。

如果碳化钨粒子的平均一次粒度太小，在热喷涂过程中碳化钨粒子很容易发生氧化。 由于被氧化的碳化钨粒子对基体的粘附性能很差，因此粒子间粘结强度变差，这甚至能导 致热喷涂涂层的抗气蚀性变差。但是，由于按照第一和第二实施方式的热喷涂粉末具有3 μm或者更大的相对大的碳化钨粒子平均一次粒度，热喷涂过程中碳化钨粒子的氧化被抑 制。这一事实也可以被认为是为什么用第一和第二实施方式的热喷涂粉末形成的热喷涂涂 层具有良好的抗气蚀性和抗浆蚀性的原因。

按照第一和第二实施方式的热喷涂粉末能够形成具有高的沉积效率(高的热喷涂产 率)的热喷涂涂层。其原因可能是热喷涂粉末所含碳化钨粒子9μm或者更小的平均一次 粒度为不是太大的这一事实。如果碳化钨粒子的平均一次粒度太大，热喷涂过程中吹向基 体的合金陶瓷粒子会弹回而没有粘附到基体上。但是，当碳化钨粒子的平均一次粒度为9 μm或者更小时，由于陶瓷粒子的回弹被抑制而提高了热喷涂粉末的沉积效率。

如果合金陶瓷粒子的压缩强度为400MPa或者更大，则不仅防止了抗气蚀性因压缩强 度太低而变差，而且也抑制了由合金陶瓷粒子的塌陷而导致的脱落等问题。

如果合金陶瓷粒子的压缩强度为900MPa或者更小，则不仅防止了抗气蚀性因压缩强 度太高而变差，而且也因为合金陶瓷粒子在热喷涂火焰中更容易被软化或熔化而提高了热 喷涂粉末的沉积效率。

按照粒化和烧结法制造的合金陶瓷粒子具有好的流动性，因为它们接近于球状形状， 且具有相对均匀的颗粒大小。因此，用合金陶瓷粒子形成的第一和第二实施方式的热喷涂 粉末也具有良好的流动性。另外，按照粒化和烧结法制造的合金陶瓷粒子具有适合的易熔 性能，因为它们是多孔的，并且具有大的比表面积。因此，用合金陶瓷粒子形成的第一和 第二实施方式的热喷涂粉末也具有适合的易熔性能，并且热喷涂粉末的沉积效率因此得以 提高。

在不背离本发明的精神和范围下，本发明可通过许多其它的具体形式来实现，这对那 些熟知本领域的人来说应当是显而易见的。特别地，应当理解的是，本发明可以下面的形 式来实现。

按照第一和第二实施方式的热喷涂粉末可以用烧结和粉碎法代替粒化和烧结法制造。 在烧结和粉碎法中，对通过压缩模塑陶瓷粒子和金属离子的混合物得到的压块进行烧结， 而后被粉碎和分级制得所需要的热喷涂粉末。

热喷涂粉末中的合金陶瓷粒子可以是碳化钨粒子、碳化铬粒子和含铬的钴基合金粒子 的复合材料，或者可以是碳化钨粒子、碳化铬粒子和金属镍粒子的复合材料。或者，合金 陶瓷粒子可以是碳化钨粒子、碳化铬粒子和含铬的镍基合金粒子的复合材料。

现在将描述本发明的实施例和对比实施例。

在实施例1-38和对比实施例1-11中，制备其上设置有用热喷涂粉末在不锈钢(SUS316) 制成的基质上形成的300μm厚的涂层的试样。在对比实施例12中，试样是由马氏体不锈 钢(SUS403)制备的。

用于实施例1-19和对比实施例1和2中的每一种热喷涂粉末都用含有碳化钨、钴和铬 的合金陶瓷粒子形成。用于实施例20-38和对比实施例5和6种的热喷涂粉末用含有碳化 钨、铬和镍的合金陶瓷粒子形成。用在对比实施例3中的热喷涂粉末用含有碳化钨和钴的 合金陶瓷粒子形成。用在对比实施例4中的热喷涂粉末用含有碳化铬、镍和铬的合金陶瓷 粒子形成。用在对比实施例7中的热喷涂粉末是三氧化二铝粉末。用在对比实施例8中的 热喷涂粉末是三氧化二铬粉末。用在对比实施例9-11中的每一种热喷涂粉末都是钴基合金 (Co-28Cr-4.5W-3Ni-3Fe-1.2C-1.1Si-1.0Mn)粉末。

表1和2显示的是实施例1-38和对比实施例1-6中各种热喷涂粉末所含合金陶瓷粒子 的组分、合金陶瓷粒子中碳化钨粒子的平均一次粒度和这些合金陶瓷粒子的压缩强度。尽 管表1和2中没有标明，各种热喷涂粉末中所含合金陶瓷粒子的平均粒度都约为30μm。 合金陶瓷粒子的压缩强度用下面的公式1计算。碳化钨粒子的平均一次粒度使用费氏微筛 分粒器(Fisher subsieve sizer)按照Fisher法(参见日本工业标准(JIS)第H2116号)测量。

公式1：δ＝2.8×9.8×L/π/d2

公式1中，标号δ表示合金陶瓷粒子的压缩强度(MPa)，标号L表示临界载荷(kgf)， 标号d表示合金陶瓷粒子的平均粒度(μm)。临界载荷是指，当合金陶瓷粒子受到硬度计 压头一个以固定速率增加的压缩载荷时，在压头的位移量迅速增大的点上施加到合金陶瓷 粒子的压缩载荷的大小。临界载荷用Shimadzu公司制造的“MCTE-500”型微压力计测量。

在实施例1-19和对比实施例1-3中，涂层用高速火焰喷涂法形成。热喷涂机使用的是 PRAXAIR/TAFA制造的“JP-5000”，其中，供氧速率为870L/min，且供煤油速率为0.38 L/min。辊身长度(喷嘴的长度)为203mm，喷射距离为380mm，喷枪移动速率(热喷涂 过程中喷嘴尖的移动速率)为750mm/s，节宽(热喷涂过程中喷嘴尖的移动节距)为6.0mm， 热喷涂粉末进料速率为70g/min。

在实施例20-38和对比实施例5和6中，涂层在与实施例1-19和对比实施例1-3相同 的条件下用高速火焰喷涂法形成，不同的是，供氧速率变为893L/min，供煤油速率为0.32 L/min。

在对比实施例4中，涂层在与实施例1-19和对比实施例1-3相同的条件下用高速火焰 喷涂法形成，不同的是，喷射距离变为355mm。

在对比实施例7和8中，涂层用气体等离子溅射法(APS)形成。热喷涂机使用的是 PRAXAIR制造的“SG-100”，其中，电流为900A，电压为36V，氩气压力为45MPa，氦 气压力为69MPa，喷射距离为100mm，喷射枪移动速率为750mm/s，节宽为6.0mm，热喷 涂粉末进料速率为30g/min。

在对比实施例9中，涂层用等离子转移弧(PTA)工艺形成。热喷涂机使用的是 THERMADYNE制造的“THERMALARC WC100B”，其中，电流为160A，电压为22V， 氩气供应速率为2L/min，且焊接速率为100mm/min。

在对比实施例10中，涂层用气体等离子溅射法形成。热喷涂机使用的是PRAXAIR制 造的“SG-100”，其中，电流为850A，电压为32V，氩气压力为34MPa，喷射距离为100mm， 喷射枪移动速率为750mm/s，节宽为6.0mm，热喷涂粉末进料速率为70g/min。

在对比实施例11中，涂层在与实施例1-19和对比实施例1-3相同的条件下用高速火 焰喷涂法形成，不同的是，供煤油速率为0.33L/min，喷射距离变为355mm。

有关实施例1-38和对比实施例1-12中制备的试样的抗浆蚀性结果显示在表1-3中标 题为“抗浆蚀性”的一栏中。使用日本公开专利No.2000-180331中公开的湿磨耗试验机对 试样和标准试样(STKM12C)进行浆液腐蚀试验，基于用下面的公式2得到的腐蚀比率， 用7个等级来评估每一种试样的抗浆蚀性。即，腐蚀比率小于0.1时评为“1”级，等于 0.1或更大而小于0.15为“2”级，等于0.15或更大而小于0.2为“3”级，等于0.2或更 大而小于0.25为“4”级，等于0.25或更大而小于0.3为“5”级，等于0.3或更大而小于 0.35为“6”级，等于0.35或更大为“7”级。

公式2：E＝(Ms/Ds)/(Mr/Dr)

公式2中，标号E表示腐蚀比率，标号Ms表示因腐蚀试验而有所减少的试样重量(g)， 标号Ds表示试样的理论密度(g/cm3)，标号Mr表示因为腐蚀试验而有所减少的标准试样 的重量(g)，标号Dr表示标准试样的理论密度(g/cm3)。

有关实施例1-38和对比实施例1-12中制备的试样的抗气蚀性结果显示在表1-3中标 题为“抗气蚀性”的栏中。对试样和标准试样(SUS316)进行气穴腐蚀试验，基于用上述 公式2得到的腐蚀比率，用7个等级来评估每一种试样的抗气蚀性。即，腐蚀比率小于0.1 时评为“1”级，等于0.1或更大而小于0.3为“2”级，等于0.3或更大而小于0.5为“3” 级，等于0.5或更大而小于0.7为“4”级，等于0.7或更大而小于0.9为“5”级，等于0.9 或更大而小于1.1为“6”级，等于1.1或更大为“7”级。

在气穴腐蚀试验中使用磁致伸缩振荡器。磁致伸缩振荡器配备有号角，用来扩大磁致 伸缩振荡器产生的振荡。在试验过程中，将试样和标准试样附装在号角的末端，并浸泡在 20℃的蒸馏水中，在水中通过磁致伸缩振荡器对试样和标准试样进行4小时的频率为18 kHz、振幅为30μm的振荡。要注意的是，在进行气穴腐蚀试验之前需将试样抛光直至具 有0.05μm的涂层表面粗糙度Ra。

表1        合金陶瓷粒子的组成          [重量百分比]   碳化钨粒子的   平均一次粒度   [μm]   合金陶瓷粒子   的压缩强度   [MPa]   抗浆蚀性   抗气蚀性   WC     Co     Cr 实施例1   86     10     4     6.1     648     1     1 实施例2   81     15     4     6.3     663     2     1 实施例3   88     8     4     6.0     635     1     2 实施例4   82     10     8     7.0     629     1     2 实施例5   88     10     2     5.9     687     2     1 实施例6   71     25     4     6.8     644     3     1 实施例7   92     4     4     6.0     658     1     3 实施例8   75     10     15     5.4     677     1     3 实施例9   89.5     10     0.5     5.9     652     3     1 实施例10   86     10     4     6.4     772     1     3 实施例11   86     10     4     6.5     560     1     3 实施例12   86     10     4     6.3     892     1     4 实施例13   86     10     4     6.6     438     1     4 实施例14   86     10     4     6.6     921     1     5 实施例15   86     10     4     6.1     333     1     5 实施例16   86     10     4     4.5     637     1     4 实施例17   86     10     4     7.6     655     1     4 实施例18   86     10     4     3.5     652     1     5 实施例19   86     10     4     8.6     667     1     5 对比实施例1   86     10     4     2.4     659     1     6 对比实施例2   86     10     4     10.1     619     1     6 对比实施例3   88     12     -     6.2     685     4     7 对比实施例4       CrC75wt％+NiCr25wt％     -     640     5     6

表2      合金陶瓷粒子的组成         [重量百分比]   碳化钨粒子的   平均一次粒度   [μm]   合金陶瓷粒子   的压缩强度   [MPa]   抗浆蚀性   抗气蚀性     WC     Co     Cr 实施例20     70     17     10     6.2     648     1     2 实施例21     65     22     10     6.0     670     1     3 实施例22     75     13     10     6.8     683     2     2 实施例23     66     17     14     6.0     645     2     2 实施例24     73     17     7     6.0     660     1     3 实施例25     55     30     10     6.3     624     1     4 实施例26     80     8     10     6.3     681     3     2 实施例27     63     17     17     6.9     691     3     2 实施例28     76     17     4     6.1     613     1     4 实施例29     70     17     10     6.0     743     1     3 实施例30     70     17     10     6.2     537     1     3 实施例31     70     17     10     6.2     838     1     4 实施例32     70     17     10     6.8     448     1     4 实施例33     70     17     10     6.7     927     1     5 实施例34     70     17     10     6.4     374     1     5 实施例35     70     17     10     4.3     645     1     4 实施例36     70     17     10     7.7     664     1     4 实施例37     70     17     10     3.4     639     1     5 实施例38     70     17     10     8.6     620     1     5 对比实施例5     70     17     10     2.4     672     1     6 对比实施例6     70     17     10     10.0     681     1     6

表3   热喷涂粉末   热喷涂法   抗浆蚀性     抗气蚀性 对比实施例7   Al2O3     APS     5     6 对比实施例8   Cr2O3     APS     4     6 对比实施例9   钨铬钴合金     PTA     6     1 对比实施例10   钨铬钴合金     APS     6     2 对比实施例11   钨铬钴合金     HVOF     6     3 对比实施例12             SUS403     7     6

当前的实施例和实施方式将认为是举例说明，而不是限制性的，并且本发明不受到这 里所给出的细节的限制，而是可以在所附的权利要求书的范围之内和等效条件下做修改。