一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料及其制備方法，該涂層材料為WC硬質(zhì)相顆粒增強(qiáng)NiTi基體相的復(fù)合涂層粉末材料，WC硬質(zhì)相顆粒含量占復(fù)合涂層粉末材料的1-50wt％，NiTi基體相為B2相結(jié)構(gòu)的NiTi金屬間化合物，WC硬質(zhì)相顆粒的晶粒尺寸為<100nm的納米級或者<1μm的亞微米級，在NiTi金屬間化合物基體相中呈均勻彌散分布；其制備方法采用機(jī)械球磨技術(shù)化合或霧化造粒技術(shù)，制備的粉末粒度為5-100微米；該粉末保持了NiTi合金的抗空蝕性能，同時具有WC優(yōu)異的抗磨損性能。采用該粉末噴涂的涂層不需進(jìn)行熱處理。
【專利說明】一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水輪機(jī)過流部件磨損和空蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種水輪機(jī)過流部件表面用的兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水輪機(jī)過流部件，如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)等過流部件，往往會受到泥沙磨蝕而導(dǎo)致過流部件表面的金屬流失，使設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生振動和噪音，造成設(shè)備運(yùn)行效率低下、大修頻繁、使用壽命縮短，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅到整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行。水輪機(jī)的磨蝕是沖蝕、磨損和空蝕等現(xiàn)象共同作用的結(jié)果，三者同時存在，相互促進(jìn)，共同導(dǎo)致水輪機(jī)過流部件的磨蝕損傷。
[0003]目前廣泛采取涂抹聚氨酯、聚乙烯涂層以及熱噴涂技術(shù)噴涂耐磨涂層等方式進(jìn)行抗磨蝕損傷。然而非金屬抗磨蝕材料由于結(jié)合強(qiáng)度太低(通常低于40MPa)，僅僅在我國北方如黃河流域等低水頭電站中獲得一定應(yīng)用，主要起抗磨損作用，兼具一定抗空蝕損傷的功能，在云、貴、川一帶的高水頭電站中未獲得成功應(yīng)用。熱噴涂涂層如噴焊NiCrBSi涂層、超音速火焰噴涂(HVOF)WC-Co涂層等也獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，熱噴涂硬質(zhì)涂層僅僅在小角度沖蝕和抗磨損方面具有較好的功能，在轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊處受到接近90度沖擊時，防護(hù)效果并不明顯，甚至不如基體材料，尤其不具有抗空蝕損傷的功能，在混流式水輪機(jī)的出水邊葉片背面常?？梢杂^察到HVOF噴涂WC涂層受到空蝕作用而損傷的現(xiàn)象。目前廣泛應(yīng)用的金屬或合金材料都不具有比基體0Crl3Ni4-6Mo系列不銹鋼更優(yōu)的抗空蝕性能。
[0004]NiTi涂層具有較高的抗空蝕性能，其原理為在受到空化氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊過程中，NiTi合金受到?jīng)_擊應(yīng)力作用發(fā)生馬氏體的相變，相變過程中，吸收了空化產(chǎn)生的能量，從而起到抗空蝕的作用。B2相NiTi合金與馬氏體NiTi合金相比具有更優(yōu)異的抗空蝕性能。盡管NiTi合金具有比0Crl3Ni4-6Mo系列不銹鋼更優(yōu)異的抗空蝕、磨損和沖蝕性能，但目前各種制備方法如電弧噴涂、等離子噴涂、激光熔覆的NiTi合金涂層的硬度((700HV)低于WC涂層(1000-1500HV)的硬度，使其抗沖蝕磨損性能也低于WC涂層。目前NiTi合金在水輪機(jī)表面抗磨蝕損傷方面尚無應(yīng)用。
[0005]當(dāng)前技術(shù)水平使抗磨損和抗空蝕在水輪機(jī)表面涂層中無法得到統(tǒng)一，是水電領(lǐng)域一大技術(shù)難題。這一難題的解決對于降低水電站檢修費用和延長檢修周期，對于保障我國能源供給以及對我國能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。
[0006]因此，對于發(fā)生沖蝕、氣蝕、磨損的水輪機(jī)過流面，需要一種同時具有抗磨損和抗空蝕的涂層材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料及其制備方法，該材料具有比目前廣泛使用的WC涂層更優(yōu)異的抗空蝕性能，同時具有比單一 NiTi金屬間化合物更高的抗沖蝕磨損性能。[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料，該涂層材料為WC硬質(zhì)相顆粒增強(qiáng)NiTi基體相的復(fù)合涂層粉末材料，所述WC硬質(zhì)相顆粒含量占復(fù)合涂層粉末材料的l_50wt %，NiTi基體相為B2相結(jié)構(gòu)的NiTi金屬間化合物，WC硬質(zhì)相顆粒的晶粒尺寸為〈lOOnm的納米級或者〈I μ m的亞微米級，在NiTi金屬間化合物基體相中呈均勻彌散分布。
[0010]所述復(fù)合涂層粉末材料的粉末粒度為10-100微米。
[0011]上述的一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料的制備方法，將占復(fù)合涂層粉末材料的l-50wt%的納米或亞微米級WC顆粒加入B2相結(jié)構(gòu)的NiTi金屬間化合物粉末或熔體中，通過球磨工藝進(jìn)行機(jī)械合金化或通過霧化造粒技術(shù)進(jìn)行制備，然后將獲得的粉末進(jìn)行分篩，獲得小于50微米的粉末用于超音速火焰噴涂或冷噴涂，或者篩分成40-100微米粒徑的粉末用于等離子噴涂。
[0012]和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點:
[0013]該粉末采用的原材料為具有B2相結(jié)構(gòu)的NiTi合金，由于球磨溫度低至_200°C左右，在低溫球磨過程中不會產(chǎn)生相變；或在NiTi合金熔鑄過程中通過成分控制和冷卻工藝控制使凝固后的金屬為B2相結(jié)構(gòu)的NiTi合金。因此所制備的粉末在噴涂后不需要進(jìn)行熱處理以獲得具有B2相結(jié)構(gòu)的NiTi合金。加入WC顆粒后，由于WC顆粒具有極高硬度，可提高復(fù)合材料的硬度，從而使復(fù)合粉末材料具有B2結(jié)構(gòu)NiTi基體相的抗空蝕性能，具有比NiTi合金自身更優(yōu)異的抗磨損功能。
【具體實施方式】
[0014]實施例1:將分別占總重量5wt %、IOwt的游離態(tài)納米WC硬質(zhì)相顆粒(約50納米)與具有CsCl型體心立方B2結(jié)構(gòu)的NiTi粉體材料混合均勻，在低溫球磨工藝下進(jìn)行球磨，球磨25h后，通過粒度篩分，將粉末粒度控制在10-100微米，獲得可用于超音速火焰噴涂、等離子噴涂用的WC顆粒增強(qiáng)的NiTi復(fù)合涂層粉末材料。采用超音速火焰噴涂后涂層的空蝕性能和磨損性能如表1所示，添加納米WC顆粒后，NiTi合金的空蝕體積損失并未明顯增加，但在15°和90°下，采用IOOM的棕剛玉進(jìn)行沖蝕磨損后，其沖蝕損傷體積得到明顯降低，接近于WC涂層的沖蝕磨損體積損傷，NiTi合金的沖蝕磨損性能獲得提聞。
[0015]實施例2 JfNiTi金屬絲材，通過電弧噴涂工藝將絲材熔化并霧化噴涂于蒸餾水中，獲得NiTi相的粉末顆粒，然后將其與占總重量5wt %的納米WC硬質(zhì)相顆粒進(jìn)行混合，通過低溫球磨技術(shù)，進(jìn)行機(jī)械合金化25h，通過粒度篩分，將粉末粒度控制在10-100微米，獲得可用于超音速火焰噴涂、等離子噴涂用的WC顆粒增強(qiáng)的NiTi復(fù)合涂層粉末材料。
[0016]實施例3:將占總重量5被％的亞微米WC硬質(zhì)相顆粒與具有CsCl型體心立方B2結(jié)構(gòu)的NiTi粉體材料混合均勻，在低溫球磨工藝下進(jìn)行球磨，球磨25h后，通過粒度篩分，將粉末粒度控制在10-100微米，獲得可用于超音速火焰噴涂、等離子噴涂用的WC顆粒增強(qiáng)的NiTi復(fù)合涂層粉末材料。 [0017]實施例4:在NiTi熔鑄過程中，將占總重量30^%的亞微米WC硬質(zhì)相顆粒加入熔融態(tài)原子比例為近等原子比的NiTi熔體中，通過霧化造粒技術(shù)，將得到的NiTi粉末進(jìn)行噴霧造粒，控制粒徑范圍為10-100微米，獲得可用于超音速火焰噴涂、等離子噴涂用的WC顆粒增強(qiáng)的NiTi復(fù)合涂層粉末材料。
[0018]表1超音速火焰噴涂WC增強(qiáng)NiTi合金粉末制備的涂層與NiTi和WC涂層的對比
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料，其特征在于:該涂層材料為WC硬質(zhì)相顆粒增強(qiáng)NiTi基體相的復(fù)合涂層粉末材料，所述WC硬質(zhì)相顆粒含量占復(fù)合涂層粉末材料的l-50wt%, NiTi基體相為B2相結(jié)構(gòu)的NiTi金屬間化合物，WC硬質(zhì)相顆粒的晶粒尺寸為<IOOnm的納米級或者〈I μ m的亞微米級，在NiTi金屬間化合物基體相中呈均勻彌散分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料，其特征在于:所述復(fù)合涂層粉末材料的粉末粒度為5-100微米。
3.權(quán)利要求2所述的一種兼具抗磨損和空蝕損傷的涂層材料的制備方法，其特征在于:將占復(fù)合涂層粉末材料的l_50wt%的納米或亞微米級WC顆粒加入B2相結(jié)構(gòu)的NiTi金屬間化合物粉末或熔體中，通過球磨工藝進(jìn)行機(jī)械合金化或通過霧化造粒技術(shù)進(jìn)行制備，然后將獲得的粉末進(jìn)行分篩，獲得小于50微米的粉末用于超音速火焰噴涂或冷噴涂，或者篩分成40-100微米粒徑的粉末用于等離子噴涂。
【文檔編號】C22C32/00GK103962548SQ201410198100
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】李勇, 李太江, 李巍, 李聚濤, 劉剛 申請人:西安熱工研究院有限公司