[发明专利]一种用于水轮机的耐磨蚀复合材料及其制备方法与应用

说明书

本申请公开了一种用于水轮机的耐磨蚀复合材料及其制备方法与应用，所述材料由铁基非晶和原位合成的硼化物复合而成；所述复合材料包含以下成分，具体重量百分比如下：26wt% Cr、5‑15wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt% Ni、10wt% Mo，余量为Fe。将制备复合材料的原料加入真空气雾化炉中进行熔炼、雾化并筛分粉末，即可获得非晶/硼化物复合粉末。所述粉末在制备耐磨蚀复合涂层中的应用，采用超音速火焰喷涂技术制备涂层。本发明可获得与基体结合强度好、硬度高、耐磨蚀性能优异的复合涂层，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于材料加工工程的热喷涂领域，特别涉及用于水轮机的耐磨蚀复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是水电站的主要设备之一。在水轮机运行过程中，其水轮机叶片、转轮本体、导叶等过流部件往往会受到水砂的磨蚀而导致表面金属流失，使设备在运行中产生振动和噪音，造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短。所谓磨蚀，指的是材料在空蚀和泥沙磨损联合作用下发生的破坏现象，在水轮机工作过程中是不可避免的。因此，提高水轮机的耐磨蚀性能成为水力发电行业的研究热点之一。

由于材料的磨蚀往往发生在表面，因此采用合适的表面防护技术制备耐磨蚀涂层是改善水轮机磨蚀性能行之有效的措施。超音速火焰（HVOF）喷涂由于具有较高的焰流速度和相对较低的焰流温度这两个特征，制备出的涂层呈现出良好的结合强度和硬度、涂层厚度可控，被认为是一种先进的表面防护涂层制备技术，广泛应用在工业生产的各个领域。近年来，HVOF喷涂技术制备的防护涂层开始应用于水轮机耐磨蚀防护方面，如三门峡水电站、刘家峡水电站等机组的水轮机叶片。现有HVOF喷涂水轮机防护涂层通常是WC基的金属陶瓷涂层，但由于WC基金属陶瓷涂层的断裂韧性低、WC与粘结相间存在界面，因此磨蚀裂纹易沿着WC与粘结相间的界面产生、扩展，不能彻底解决水轮机的耐磨蚀问题。

非晶态合金作为一种新型的结构与功能材料，由于不含晶界、位错等缺陷，兼具高硬度、良好的耐磨性能和耐腐蚀性能，已经在电子、机械、化工等行业得到了广泛的应用，其中铁基非晶材料由于制备成本低，近年来成为非晶态合金的研究热点之一。使用HVOF技术制备铁基非晶涂层，有望获得耐磨蚀性能良好的新型防护涂层。众多研究表明，在材料中加入第二相硬质化合物可以进一步提高材料的耐磨蚀性能。但是，外来的第二相与基体材料间的结合界面往往会成为复合材料破坏的薄弱点。若通过成分设计在非晶基体中原位合成硼化物，则一方面可以发挥硼化物化学性质稳定、硬度高的优点，另一方面可以获得洁净的非晶/硼化物界面，有效延缓界面开裂，从而提高复合材料的整体性能。

综上所述，设计一种具有高非晶形成能力的铁基合金粉末，并通过添加足量的硼元素，以获得原位合成硼化物的非晶/硼化物复合材料，并在水轮机表面制备出具有高耐磨蚀性能的复合防护涂层具有重要的实际意义。

发明内容

解决的技术问题：本申请主要是提出一种用于水轮机的耐磨蚀复合材料及其制备方法与应用，解决现有技术中存在的造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短等技术问题，制备的涂层中，原位合成的硼化物均匀地分布在非晶基体中，复合涂层具有高硬度和优异的耐磨蚀性能。

技术方案：

一种用于水轮机的耐磨蚀复合材料，其特征在于，所述用于水轮机的耐磨蚀复合材料包含以下化学成分，具体重量百分比如下：26wt% Cr、5-15wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt% Ni、10wt% Mo，余量为Fe。

本发明还提出一种用于水轮机的耐磨蚀复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：根据化学成分的重量百分比进行配料，称取低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁物料，按照熔点从高到低的顺序和含易烧损元素物料最后加入的原则依次将物料加入真空感应电磁炉内，然后升温至2000℃，保温10min；