[发明专利]适用于氧-丙烷超音速火焰短距离喷涂的碳化钨/碳化硅基复合材料、涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种适用于氧‑丙烷超音速火焰短距离喷涂的碳化钨/碳化硅基复合材料、涂层及其制备方法。该复合材料粉末的组成及质量分数为：纳米WC：60～75wt％、纳米SiC：10～20wt％、Co：5～8wt％、Cr：6～10wt％、Nb：1～5wt％，Al：2～4wt％，Re：0.5～4wt％。涂层制备方法如下：以该配方为喷涂材料，通过氧‑丙烷超音速火焰90°内孔喷枪喷涂到经过预处理的钢质基材表面，最终形成厚度为100～500μm的涂层，该涂层均匀致密，孔隙率＜0.5％；显微硬度＞1150HV_0.2；涂层与基材结合强度≥72Mpa；涂层粗糙度＜Ra 4μm。涂层具有优良的耐腐蚀、抗泥沙冲蚀磨损性能，可满足水轮机、水泵等工件的狭窄内表面的喷涂。

技术领域

本发明属于机械部件表面抗磨损、耐腐蚀、抗气蚀和泥沙磨蚀防护领域，具体涉及一种适用于氧-丙烷超音速火焰工艺且短距离喷涂(尤其是喷涂距离≤ 150mm)的抗磨耐蚀碳化钨/碳化硅基复合材料、涂层及其制备方法。

背景技术

在水利水电、机械制造、航空航天、化工石油等领域，许多关键和重要的部件具有狭窄的内孔结构，如混流式水轮机内流道、发动机气缸孔、液压机构泵壳等，这些部件的内结构服役于高速过流、高温高压、腐蚀磨损等苛刻工况下，易于发生严重的磨损、腐蚀、疲劳等失效。目前主要通过在部件内壁制备抗磨耐蚀涂层以提高部件的寿命。包括电镀/化学镀、阳极氧化、热喷涂和物理/化学气相沉积等。其中，电镀由于工艺复杂、电镀液环境污染等问题使用逐渐受限；阳极氧化对基材材质有特定要求而无法广泛适用；物理/化学气相沉积工艺成本高、涂层厚度有限等不足难以大规模应用。以超音速火焰技术(HVOF)喷涂WC类涂层为代表的热喷涂技术对工件材质和尺寸大小限制较小，涂层性能抗磨耐蚀性能好，且涂层材料广泛、生产效率高、生产成本低，兼具了通用性、实用性和经济性等显著优势。然而，由于热喷涂自身的工艺特性，常规HVOF喷枪难以深入工件内部空间，无法实现理想的喷涂距离、垂直角度，以及精确控制的喷枪活动自由度和运行速度，因此常规热喷涂技术难以有效解决内孔喷涂问题。近年来，内孔超音速火焰喷枪的发展为这一难题的解决提供了便利，通过将小型化喷枪加长延伸至工件内部，同时多喷涂角度喷枪设计可在最大程度上实现近垂直喷射。

然而，目前内孔喷涂喷枪的喷涂距离仍然较大，在喷涂采用常规的WC-CoCr 粉末时，当喷涂距离降低至150mm以下时由于在极短的喷涂距离下，从枪膛燃烧室喷射出的焰流中粉末粒子加热和加速时间较短，熔融程度较低的颗粒因流动性较差而无法在撞击表面后充分铺展和流淌，不能填满已沉积颗粒间的空隙，因而造成较大的孔隙率；同时，涂层表层的颗粒由于流动性差保持原始形态而形成密集分布的凸起大颗粒，造成涂层表面严重的粗糙现象。此外，短喷涂距离下涂层受到焰流的高温冲击，由于热振作用开裂敏感性升高。

因此有必要对粉末喂料进行创新改进，在保证涂层性能与质量的前提下进一步减低喷涂距离，以适应更加狭窄空间下的氧-丙烷超音速火焰喷涂碳化物涂层。

发明内容

针对现有的氧-丙烷超音速火焰内孔喷涂碳化物涂层技术存在的不足，本发明提供一种适用于氧-丙烷超音速火焰短距离喷涂(尤其是喷涂距离≤150mm时) 的抗磨耐蚀碳化钨/碳化硅基复合材料、涂层及其制备方法。本发明采用的技术方案如下：

本发明的适用于氧-丙烷超音速火焰短距离喷涂的碳化钨/碳化硅基复合材料，其配方组成为WC：60～75wt％、SiC：10～30wt％、Co：5～8wt％、Cr：6～ 10wt％、Nb：1～5wt％，Al：1.5～4wt％，Re：0.5～3wt％。

本发明的碳化钨/碳化硅基复合材料组分粒度为，纳米WC粉末粒度50～100 nm，纳米SiC粉末粒度50～900nm，Co金属粉末粒度0.5～1μm，Cr金属粉末粒度0.5～1μm，Nb金属粉末粒度0.5～1μm，Al金属粉末粒度0.5～1μm，Re金属粉末粒度50～100nm。复合粉末通过喷雾干燥的方式制得，粒度为15～35μm。