CN101591482B - 一种耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层及其制备方法属于表面工程技术领域。本发明拟解决现有纳米结构涂层耐腐蚀性差，成本高等问题。本发明所提供的涂层的喷涂粉末的组分及其含量为：C：0.5～1.5％wt、B：3.0～5.0％wt、Si：2.5～6.0％wt、Fe：4.0～9.0％wt、Cr：12.0～25.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～55μm。本发明通过采用气雾化法制备喷涂粉末后，采用活性燃烧高速燃气喷涂技术将其喷涂到基体上，制备纳米结构Ni基涂层。本发明所提供的涂层耐磨耐蚀综合性能高，且制备成本低，适于工业化生产。

Description

一种耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层及制备方法 
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及采用活性燃烧高速燃气喷涂制备耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层的技术。 
背景技术
纳米材料由于其优异的机械、物理、化学等性能受到广泛关注，随着表面工程技术的发展，将表面涂层技术与纳米材料结合，制备高性能纳米结构涂层成为可能。其中，热喷涂技术具有工艺简单、涂层和基体的选择范围广、涂层厚度变化范围大、沉积效率高以及容易形成复合涂层等优点。利用热喷涂制备的纳米结构涂层具备耐磨损、硬度和结合强度高、断裂韧性好等优点，在工业上有着非常好的应用前景。 
例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处理制成专用热喷涂纳米粉，利用等离子喷涂得到纳米结构Al2O3/TiO2涂层，涂层致密度达98％。结合强度比商用普通粉末涂层提高2-3倍，抗磨损能力是商用普通粉末涂层的3倍，抗弯强度比商用普通粉末涂层提高2-3倍。CN1600820A公开了一种纳米耐磨涂层的制备及应用，利用纳米晶的WC-Co喷涂粉末制备了纳米WC-Co涂层，涂层具有高的显微硬度和耐磨性。CN1413774A公开了一种粉末热喷涂纳米材料的制备方法，采用α-Al2O3团聚粉末，利用氧乙炔火焰喷涂制备获得纳米涂层，利用TEM观察涂层呈纳米晶组织。 
上述热喷涂纳米结构涂层均具有非常高的耐磨损性能，但多为陶瓷涂层(如纳米结构Al2O3/TiO2和WC-Co涂层)，且不涉及耐蚀性，而在某些工况条件下，对耐磨耐蚀性综合性能要求较高，另外，这些涂层体系成本较高，限制了其应用。目前为止，关于低成本、高综合性能的纳米结构合金涂层的研究甚少。 
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种耐磨耐蚀综合性能高、成本低的纳米结构Ni基涂层及其制备方法。 
本发明所提供的耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层的喷涂粉末为多合金元素的Ni基合金粉末，具体组分及其含量为：C：0.5～1.5％wt、B：2.0～5.0％wt、Si：2.5～6.0％wt、Fe：4.0～9.0％wt、Cr：12.0～25.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～55μm。 
本发明所提供的耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层的制备方法，包括以下步骤： 
1)将原料粉末进行成分配比后，采用真空气雾化法制备喷涂粉末，制粉工艺参数为：熔炼真空度0.01～0.1Pa，熔炼温度1600～1800℃，雾化压力2～4Mpa，雾化气氛为氩气，喷涂粉末的组分及其含量为：C：0.5～1.5％wt、B：3.0～5.0％wt、Si：2.5～6.0％wt、Fe：4.0～9.0％wt、Cr：12.0～25.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～55μm； 
2)将步骤1)中制备的喷涂粉末采用活性燃烧高速燃气喷涂技术(超音速火焰喷涂技术)喷涂到基体上，得到耐磨耐蚀纳米结构 Ni基涂层，喷涂工艺参数为：空气压力0.55～0.60MPa，一级燃烧室压力0.44～0.55MPa，二级燃烧室压力：0.24～0.33MPa，喷涂距离：100～200mm，送粉速度：2～6ppm。 
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果： 
本发明所采用的活性燃烧高速燃气喷涂技术，粒子飞行速度高，火焰温度低，有利于制备纳米结构涂层；另外，本发明所制得的涂层致密、孔隙率低、热退化小、沉积效率高，耐磨耐蚀综合性能好，成本低，适合工业化生产。 
喷涂粉末的形貌近似呈球形，具有良好的流动性。喷涂粉末中含有大量的CrB2，Cr26C3，Cr7C3等硬质相，不考虑应力宽化，根据谢乐公式估算粉末晶粒尺寸，喷涂粉末的晶粒尺寸为40～50nm。喷涂粉末经喷涂形成涂层后仍保持粉末的相结构。涂层与基体结合良好，涂层厚度可达700～800μm。涂层中的大部分粒子为50～70nm的纳米粒子，且部分粒子非常细小，为20～30nm，因此本发明所制备的涂层为纳米结构的涂层。 
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。 
下述实施例中采用0Cr13Ni5Mo不锈钢作为制备纳米结构Ni基涂层的喷涂基体。喷涂前，将基体用丙酮清洗，并用氧化铝喷砂粗化后立即进行喷涂。 
实施例1 
1)将原料粉末进行成分配比后，采用真空气雾化法制备喷涂粉 末，制粉工艺参数为：熔炼真空度0.01Pa，熔炼温度1600℃，雾化压力4.0Mpa，雾化气氛为氩气，喷涂粉末的组分及其含量为：C：1.5％wt、B：3.0％wt、Si：2.5％wt、Fe：4.0％wt、Cr：12.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～45μm； 
2)将步骤1)中制备的喷涂粉末采用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上，得到耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层，喷涂工艺参数为：空气压力0.55MPa，一级燃烧室压力0.44MPa，二级燃烧室压力：0.24MPa，喷涂距离：100mm，送粉速度：6ppm。 
实施例2 
1)将原料粉末进行成分配比后，采用真空气雾化法制备喷涂粉末，制粉工艺参数为：熔炼真空度0.05Pa，熔炼温度1700℃，雾化压力2.5Mpa，雾化气氛为氩气，喷涂粉末的组分及其含量为：C：0.8％wt、B：3.8％wt、Si：3.5％wt、Fe：7.8％wt、Cr：17.5％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～45μm； 
2)将步骤1)中制备的喷涂粉末采用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上，得到耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层，喷涂工艺参数为：空气压力0.60MPa，一级燃烧室压力0.49MPa，二级燃烧室压力：0.28MPa，喷涂距离：150mm，送粉速度：4ppm。 
实施例3 
1)将原料粉末进行成分配比后，采用真空气雾化法制备喷涂粉末，制粉工艺参数为：熔炼真空度0.1Pa，熔炼温度1800℃，雾化压力2.0Mpa，雾化气氛为氩气，喷涂粉末的组分及其含量为：C：0.5 ％wt、B：5.0％wt、Si：6.0％wt、Fe：9.0％wt、Cr：25.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～55μm； 
2)将步骤1)中制备的喷涂粉末采用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上，得到耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层，喷涂工艺参数为：空气压力0.60MPa，一级燃烧室压力0.55MPa，二级燃烧室压力：0.33MPa，喷涂距离：200mm，送粉速度：2ppm。 
对实施例2中制备的涂层进行硬度、耐磨性和耐蚀性的测试： 
1、将涂层抛光后，采用HXD-1000TM显微硬度计测量其表面显微硬度，平均硬度为125kg/cm2，最高硬度可达1334kg/cm2，涂层具有较高的显微硬度。 
2、采用立式万能摩擦磨损试验机MMW-1进行室温无润滑滑动磨损试验，摩擦副为Φ13mm的硬质合金球，所加载荷为50N，转速为200r/min，试验时为间60min。磨损量用失重表示(如表1所示)，对比试样为0Cr13Ni5Mo不锈钢，可见本发明制备的涂层具有很高的耐磨性。 
3、采用CHI660B电化学工作站测定涂层在3.5％的NaCl溶液中电化学腐蚀性能。利用Tafel外推法确定涂层的腐蚀电流icorr并计算腐蚀速度Vcorr，扫描速度为1mV/s。实验采用的参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，对比试样为0Cr13Ni5Mo不锈钢。试验数据见附表2，可以看出本发明制备的涂层具有很高的耐蚀性。 
  磨损失重   载荷   磨损失重
  0Cr13Ni5Mo不锈钢   50N   32.6
  Ni基涂层   50N   5.2
表1涂层及不锈钢的磨损失重 
  Ecorr(mV)   icirr(μA/cm2)   Vcorr(mm/a)
  0Cr13Ni5Mo不锈钢   -481.6   4.6   0.07
  Ni基涂层   -361.8   0.7   0.008
表2涂层及不锈钢的腐蚀电化学参数 

Claims (2)

1.一种耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层，其特征在于，所述的涂层的喷涂粉末的组分及其含量为：C：0.5～1.5％wt、B：2.0～5.0％wt、Si：2.5～6.0％wt、Fe：4.0～9.0％wt、Cr：12.0～25.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～55μm，喷涂粉末的晶粒尺寸为40～50nm。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将原料粉末进行成分配比后，采用真空气雾化法制备喷涂粉末，制粉工艺参数为：熔炼真空度0.01～0.1Pa，熔炼温度1600～1800℃，雾化压力2～4Mpa，雾化气氛为氩气，喷涂粉末的组分及其含量为：C：0.5～1.5％wt、B：3.0～5.0％wt、Si：2.5～6.0％wt、Fe：4.0～9.0％wt、Cr：12.0～25.0％wt，余量为Ni，喷涂粉末的粒度为5～55μm；
2)将步骤1)中制备的喷涂粉末采用活性燃烧高速燃气喷涂技术喷涂到基体上，得到耐磨耐蚀纳米结构Ni基涂层，喷涂工艺参数为：空气压力0.55～0.60MPa，一级燃烧室压力0.44～0.55MPa，二级燃烧室压力：0.24～0.33MPa，喷涂距离：100～200mm，送粉速度：2～6ppm。
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