一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法
专利汇可以提供一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于 热 喷涂 领域，特别涉及一种含陶瓷相的 铁 基非晶 纳米晶 复合涂层及其制备方法。首先将Co或Ni包 碳 化物或 氧 化物陶瓷加入到药芯中，和具有非晶形成成分的铁基 合金 一起制备成药芯丝材作为喷涂材料，采用 电弧 喷涂方法将药芯丝材 熔化 并雾 化成 熔滴后沉积在基体上，制备出含有陶瓷相结构的铁基非晶纳米晶复合涂层，涂层结合强度高，有很好的耐磨损、耐 腐蚀 、抗氧化等性能，显著延长基体使用寿命，可以广泛应用于 冶金 、电 力 、石油等行业的设备零件的修复和防护上。，下面是一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特征在于喷涂材料是 由药皮和药芯组成的药芯丝材，其总成分重量百分比为：Cr 13～25％，Mn 0.2～5％，B 0.2～5％，C 0.05～1％，Si 0.1～0.5％，Mo 0.5～5％，W 0.5～6 ％，及药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末5～10％，或者含Co或Ni包氧 化物陶瓷粉末6～12％，其余为Fe。
2、根据权利要求1的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特征在 于药芯丝材药皮采用含碳量≤0.04％、含铬量约为16～17％的铬钢带。
3、根据权利要求1的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特征在 于碳化物为WC、TiC、Cr3C2中的任一种。
4、根据权利要求1的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特征在 于氧化物为Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2中的任一种。
5.根据权利要求1或3的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特 征在于药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为微米级，粒径为38～150μm。
6.根据权利要求1或3的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特 征在于药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为纳米级，原始尺寸为30～ 100nm，造粒后粒径为38～150μm。
7.根据权利要求1或4的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特 征在于药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为微米级，粒径为38～150μm。
8.根据权利要求1或4的含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特 征在于药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为纳米级，原始尺寸为30～ 100nm，造粒后粒径为38～150μm。
9、一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于 采用电弧喷涂技术制备涂层，制备方法是采用双丝电弧喷涂设备进行喷涂， 将药芯丝材熔化以后利用压缩空气雾化成液滴加速沉积在基体上，利用基体 的快速冷却作用直接形成非晶纳米晶结构，未完全熔化的陶瓷粒子弥散分布 在非晶纳米晶结构基体上，制备工艺参数为：电弧电压28～34V，工作电流 190～250A，雾化气体压力0.6～0.8MPa，喷涂距离150～200mm。
技术领域
本发明属于热喷涂领域，特别涉及一种含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合 涂层及其制备方法。
背景技术
现有的技术中，陶瓷材料是一类重要的耐高温腐蚀、氧化和磨损热喷涂 材料。热喷涂陶瓷或金属陶瓷复合涂层，主要是氧化物和碳化物陶瓷及它们 与金属的复合涂层，因其具有优良的耐磨性和优异的高温性能，尤其是耐冲 蚀性能，可以有效地减轻热腐蚀和烟气冲蚀磨损，在许多场合得到应用。然 而，单一的陶瓷涂层因为具有较高的孔隙率、较低的断裂韧性以及和基体金 属材料存在较大的热膨胀系数差异，应用受到限制；金属陶瓷复合涂层，如 Cr3C2-(NiCr)，WC-Co等金属陶瓷复合涂层可以得到较高的涂层质量和良 好的涂层性能，应用比较广泛，如Cr3C2-(NiCr)涂层应用在锅炉管道的高 温冲蚀防护上，缺点是材料成本高，主要采用等离子喷涂或高速火焰喷涂， 工艺复杂，施工成本高且现场施工不便。
铁基非晶、纳米晶合金涂层是一种新型的热喷涂涂层，因其具有耐磨损、 耐腐蚀等综合性能，并且成本相对低廉，近年来得到广泛研究，比如国内外 正在研究其替代45CT应用在锅炉“四管”防护上。早期主要采用等离子喷 涂和高速火焰喷涂技术制备非晶、纳米晶涂层，在施工便利性和施工成本方 面存在不足，目前已经开始研究采用电弧喷涂技术制备非晶、纳米晶涂层， 如CN200610114516.4就提供了一种铁基非晶、纳米晶涂层的制备方法。相 较陶瓷或金属陶瓷复合涂层而言，铁基非晶、纳米晶涂层优点是耐蚀性能较 好、结合强度高、成本低，不过硬度不及前者高，在耐磨粒、滑动或冲蚀性 能上也不及一些陶瓷或金属陶瓷复合涂层。
发明内容
根据上述目的，本发明整体的技术方案为：
采用铁基非晶、纳米晶作为陶瓷相的支撑基体，并使用电弧喷涂制备涂 层，将可以发挥非晶、纳米晶基体相和陶瓷硬质相各自的优点，能大幅提高 金属在严重的腐蚀磨损中的使用性能，延长使用寿命。
首先将Co或Ni包碳化物或氧化物陶瓷加入到药芯中，和具有非晶形成 成分的铁基合金一起制备成药芯丝材作为喷涂材料，采用电弧喷涂方法将药 芯丝材熔化并雾化成熔滴后沉积在基体上，制备出含有陶瓷相结构的铁基非 晶纳米晶复合涂层，涂层结合强度高，铁基非晶纳米晶基体上分布着硬质陶 瓷相，有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等性能，显著延长基体使用寿命， 可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上。
根据上述目的和整体技术方案，本发明具体的技术方案为：
喷涂材料是由药皮和药芯组成的药芯丝材，其总成分重量百分比为：Cr 13～25％，Mn 0.2～5％，B 0.2～5％，C 0.05～1％，Si 0.1～0.5％，Mo 0.5～5 ％，W 0.5～6％，及药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末5～10％，或者含 Co或Ni包氧化物陶瓷粉末6～12％，其余为Fe。
药芯丝材药皮采用含碳量≤0.04％、含铬量约为16～17％的铬钢带，具 有成分X1；药芯为配制的金属、合金和陶瓷等组成的混合粉末，成分为X2， 药皮和药芯的总成分X在上述成分范围内。
上述碳化物为WC、TiC、Cr3C2中的任一种；氧化物为Al2O3、TiO2、 Cr2O3、ZrO2中的任一种。
药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为微米级，粒径为38μm～150μ m。
或药芯中含Co或Ni包碳化物陶瓷粉末为纳米级，原始尺寸为30～ 100nm，造粒后粒径为38μm～150μm。
或药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为微米级，粒径为38μm～150 μm。
或药芯中含Co或Ni包氧化物陶瓷粉末为纳米级，原始尺寸为30～ 100nm，造粒后粒径为38μm～150μm。
上述含陶瓷相的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，采用电弧喷涂技 术制备涂层，制备方法是采用双丝电弧喷涂设备进行喷涂，将药芯丝材熔化 以后利用压缩空气雾化成液滴加速沉积在基体上，利用基体的快速冷却作用 直接形成非晶纳米晶结构，未完全熔化的陶瓷粒子弥散分布在非晶纳米晶结 构基体上，制备工艺参数为：电弧电压28～34V，工作电流190～250A，雾 化气体压力0.6～0.8MPa，喷涂距离150～200mm。
与现有技术相比，本发明在药芯中加入金属包陶瓷粉末，并制备成药芯 丝材，采用电弧喷涂喷涂后，可以形成含陶瓷相的铁基非晶纳米晶结构复合 涂层，涂层结合强度高，有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等性能，显著延 长基体使用寿命，可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修 复和防护上。
附图说明
图1是实施例2的涂层表面XRD衍射图谱。
图2是实施例2的涂层TEM图像。
图3是实施例2的涂层DSC曲线。
图4是实施例2的涂层硬度分布图。
图5是实施例2的涂层阳极极化曲线。
具体实施方式
2.选择的成分重量百分比为Cr 17.10％，Mo 1.20％，W 1.20％，Mn 0.38 ％，B 3.10％，C 0.60％，Si 0.40％，药芯中Ni包Cr3C2粉末重量占总重9.50 ％，余量为Fe，将上述成分制备成药芯丝材，其药皮和药芯的总的成分满足 上述成分，药芯中Ni包Cr3C2粉末粒度为38μm～74μm，其它粉末粒度为 26μm～150μm之间，药芯重量占36.71％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电 压32V，工作电流约180A，雾化气体压力0.7MPa，喷涂距离200mm。喷涂层 与基体结合强度在45MPa以上，显微维氏硬度大于950HV0.3kg，具有硬度高、 耐磨性好、耐冲蚀性好等特点，适用于燃煤电厂锅炉“四管”温度高于550 ℃部位耐高温磨损。
3.选择的成分重量百分比为Cr 20.60％，Mo 1.20％，W 1.10％，Mn 1.02 ％，B 2.95％，C 0.55％，Si 0.60％，药芯中Co包TiC粉末重量占总重7.30 ％，余量为Fe，将上述成分制备成药芯丝材，其药皮和药芯的总的成分满足 上述成分，药芯中Co包TiC粉末为纳米粉末，原始尺寸为30～100nm，造 粒后粒度为38μm～150μm，其它粉末粒度为26μm～150μm之间，药芯 重量占38.29％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压30V，工作电流约180A， 雾化气体压力0.7MPa，喷涂距离200mm。喷涂层与基体结合强度在50MPa以 上，显微维氏硬度大于1000HV0.3kg，具有硬度高、耐磨性好、耐冲蚀性好、 耐冲击性好等特点，适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高温磨损和水轮机叶片 耐泥沙磨损。
4.选择的成分重量百分比为Cr 19.20％，Mo 2.03％，W 1.90％，Mn 0.60 ％，B 3.01％，C 0.73％，Si 0.40％，药芯中Ni包ZrO2粉末重量占总重6.10 ％，余量为Fe，将上述成分制备成药芯丝材，其药皮和药芯的总的成分满足 上述成分，药芯中Ni包ZrO2粉末粒度为53μm～104μm，其它粉末粒度为 26μm～150μm之间，药芯重量占37.97％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电 压30V，工作电流约190A，雾化气体压力0.7MPa，喷涂距离150mm。喷涂层 与基体结合强度在40MPa以上，显微维氏硬度大于1000HV0.3kg，具有硬度 高、耐磨性好、耐高温氧化性好等特点，适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高 温磨损。
5.选择的成分重量百分比为Cr 16.10％，Mo 3.03％，W 3.90％，Mn 0.60 ％，B 2.81％，C 0.73％，Si 0.40％，药芯中Ni包Cr2O3粉末重量占总重7.70 ％，余量为Fe，将上述成分制备成药芯丝材，其药皮和药芯的总的成分满足 上述成分，药芯中Ni包Cr2O3粉末粒度为38μm～150μm，其它粉末粒度 为26μm～150μm之间，药芯重量占39.49％，电弧喷涂工艺参数为：电弧 电压32V，工作电流约190A，雾化气体压力0.7MPa，喷涂距离150mm。喷涂 层与基体结合强度在40MPa以上，显微维氏硬度大于1000HV0.3kg，具有硬 度高、耐磨性好、耐高温氧化性好等特点，适用于燃煤电厂锅炉“四管”温 度高于550℃部位耐高温磨损。
6.选择的成分重量百分比为Cr 18.10％，Mo 1.03％，W 1.00％，Mn 0.60 ％，B 2.81％，C 0.63％，Si 0.40％，药芯中Co包Al2O3粉末重量占总重11.20 ％，余量为Fe，将上述成分制备成药芯丝材，其药皮和药芯的总的成分满足 上述成分，药芯中Co包Al2O3粉末为纳米粉末，原始尺寸为30～100nm， 造粒后粒度为38μm～150μm，其它粉末粒度为26μm～150μm之间，药 芯重量占38.06％，电弧喷涂工艺参数为：电弧电压32V，工作电流约180A， 雾化气体压力0.7MPa，喷涂距离150mm。喷涂层与基体结合强度在40MPa以 上，显微维氏硬度大于1000HV0.3kg，具有硬度高、耐磨性好、耐高温氧化 性好等特点，适用于燃煤电厂锅炉“四管”耐高温磨损和水轮机叶片耐泥沙 磨损。
图1是实施例2的涂层XRD衍射图谱，存在明显的晶化峰，经分析晶化 产物主要为α-Fe(Cr)和Cr3C2，存在明显的宽化现象。
图2是实施例2的涂层TEM形貌，涂层是晶态和非晶态的的混合组织， 纳米晶弥散分布在非晶相中，纳米晶相尺寸约为100-250nm，视场中未见微 米级晶相，可见Ni包Cr3C2粉末在喷涂中存在熔化过程，未完全熔化的以 亚微米级甚至纳米级晶相存在。
图3是实施例2的涂层DSC曲线，可见曲线上存在两个放热峰，在564℃ 左右有一个特别明显的放热峰，表明涂层发生了非晶态向晶态的转化，开始 晶化温度在541℃左右；在817℃附近还有一个放热峰，说明在这一温度残 余非晶相发生了二次晶化。说明本发明所制备的涂层在541℃具有很好的热 稳定性。
图4是实施例2的涂层在加载100g、加载时间10s条件下测得的涂层显 微硬度分布曲线，可见涂层的硬度很高且分布比较均匀，其显微硬度HV0.1 在1000～1400范围，比基体高出很多。
图5是实施例2的涂层在3.5％NaCl溶液中的动电位阳极极化曲线，自 腐蚀电位为-0.54V，存在明显的钝化区，钝化电流密度为0.00275mA/cm2，可 见该涂层具有良好的耐腐蚀能力。
采用立式万能摩擦磨损试验机进行涂层的无润滑球盘式摩擦磨损实验， 球材料为Si3N4，直径1/4英寸，盘试样为Q235钢加工成规定尺寸后在磨损 试验面喷涂上待试验涂层，各实施例涂层的的试验参数后磨损失重率见表1， 可以发现涂层具有良好的耐磨损性能。
表1
载荷(N) 时间(min) 速度(r/min) 磨损失重率％ 实施例1 20 15 100 0.011 实施例2 20 15 100 0.001 实施例3 20 15 100 0.001 实施例4 20 15 100 0.003 实施例5 20 15 100 0.001 实施例6 20 15 100 0.005 Q235 20 15 100 1.624
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