一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层及制备方法

本发明涉及表面涂层技术领域，特别是一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层及制备方法。

含沙水域中水力机械过流部件的泥沙磨蚀是国内外多泥沙河流水电站或大型提灌工程中一个非常棘手的问题，是水力机械工程中急待解决的重要技术难题。多泥沙河流上水力机械的磨蚀，往往是泥沙冲蚀磨损和空蚀(以前称作气蚀)同时存在，二者相互促进，破坏叠加，大大加速了水力机械(如水轮机、提灌水泵等)过流部件金属表面的破坏进程，严重的磨蚀破坏将导致机械的使用寿命缩减，大修周期缩短，材料消耗和备品备件增加，经济损失巨大，因此，要求材料具有很好的抗冲蚀磨损性能以及耐腐蚀性能。例如水轮机作为水电站的主机设备，其运行好坏直接关系到水电站乃至整个电力系统运行的技术经济水平。根据对我国运行的水电站现场调查表明，水轮机过流部件，特别是转轮的气蚀破坏是当前水轮机运行中最为突出的问题。气蚀和磨损是水力机械中普遍存在的问题。气蚀可使水轮机过流部件表面上产生鱼鳞坑或使表面呈海绵状，破坏了表面原有的绕流条件，使水轮机效率和出力降低，严重时还可使转轮叶片掉块、掉边、穿孔，甚至脱落。除此以外，由于水电站的水流中经常夹带着大量的砂粒，水轮机还要承受砂粒的冲蚀磨损。近年来，为减少水力机械过流部件由于高流速、高含沙量水流气蚀、冲蚀磨损导致的停机、维修，国内外研究工作者进行了长期的试验研究，已经取得了一些成果。印度主要从事高性能HVOF涂层的开发及材料渗氮工艺的研究，结果表明：采用HVOF方法制备的WC/Co涂层比13Cr-4Ni和12Cr钢表面渗氮处理的材料具有更高的磨损性能，但是由于制备的WC显微组织中有少量空穴的存在，在高能泥沙冲击时，涂层易气蚀破坏。目前国内常用的过流部件防护技术有：(1)抗磨焊条堆焊，此项技术成熟，应用最为普遍，但对工件基体材料的可焊性要求高，堆焊层冲淡率大，焊层厚且不均匀。经堆焊法处理的水轮机叶片表面，在堆焊层未发生汽蚀破坏前，在堆焊点周围又迅速发生新的气蚀破坏，直至堆焊层底部。因此，堆焊法不能彻底解决水力机械过流部件浆体冲蚀汽蚀问题；(2)氧乙炔火焰合金粉末喷焊，是水轮机过流部件修复和预保护的一种比较理想的表面保护工艺，但由于制备工艺造成涂层内部质量缺陷较多，仍未达到水轮机关键部件理想的使用要求；(3)超音速火焰WC喷涂层的抗磨损性能很好，但抗空蚀性能较差，而且WC价格昂贵，涂层成本较高也不利于大范围推广应用。

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层及制备方法，以铁基合金为基体并复配Al2O3、Cr2O3和稀土CeO2的抗磨蚀涂层，该涂层组织均匀致密，结合强度适当，耐腐蚀性好，抗磨蚀性能高、制备工艺简单，原料来源丰富，操作方便。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层，该CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和抗磨蚀层组成；所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述抗磨蚀层的组成成分及其重量百分比为：Al2O3粉15～20％、Cr2O3粉5～10％、CeO2粉0.5～1.0％、余量铁基合金粉。

进一步，所述铁基合金粉的组成成分及其重量百分比为：Si 1.0％，Mo2.0-3.0％，Ni10-14％，Cr 18-20％，Mn2.0％，余量Fe。

进一步，所述Ni5Al粉的粒径为45～90μm。

进一步，所述Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉的粒度为100～200目。

进一步，所述结合层的喷涂厚度为80～100μm。

进一步，所述抗磨蚀层的喷涂厚度为450～700μm。

另外，本发明还提供一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)抗磨蚀层喷涂粉制备：

将Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉加入高能球磨机进行球磨3h，球磨结束后过筛获得均匀的混合粉末，用体积比6∶1的分散剂和粘结剂与混合粉末混合制备悬浮液，然后利用喷雾造粒机制备抗磨蚀层喷涂粉，所述制得的抗磨蚀层喷涂粉的粒径为60～80μm；

(2)待喷涂基底处理：

首先，去除待喷涂不锈钢基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10～20分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对基底表面进行喷砂处理，而后利用压缩空气吹去不锈钢基底表面浮尘，再将其置于体积比为1∶1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；

(3)涂层制备：

结合层制备：利用超音速等离子喷涂设备在待喷涂不锈钢基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；

抗磨蚀层制备：利用超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂抗磨蚀层，所述抗磨蚀层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；

(4)涂层的后处理：

将步骤(3)制备的涂层进行打磨后利用石蜡对涂层进行封孔处理得到新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层。

进一步，所述步骤(1)中分散剂为羟甲基纤维素钠，粘结剂为聚乙二醇。

进一步，所述步骤(2)的压力喷砂机中以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.6-0.7MPa。

进一步，所述步骤(2)中的不锈钢基底的材质成分为0Cr13Ni4Mo或1Cr18Ni9Ti。

与现有技术相比，本发明通过稀土CeO2改性和Cr2O3等硬质相的颗粒增强作用，改善了铁基合金涂层微观组织结构，进而提高了其硬度、强度及抗磨蚀性能；本发明所制备的涂层组织致密且孔隙度低于3％，涂层的显微硬度不低于1300HV0.2，结合强度达40MPa左右，磨损率在3×10-3mm3/(N.m)以下，抗磨蚀性能远高于常规的水力机械过流部件的母材金属(如0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni62Mo高强度不锈钢)。

本发明制备了具有高抗磨蚀性能的复合涂层，制备工艺简单，可广泛应用于多泥沙河流上水力机械过流部件的表面防护。

图1为本发明制得的新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层与Fe/WC涂层、WC涂层的硬度比较图。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层，该CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和抗磨蚀层组成；所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述抗磨蚀层的组成成分及其重量百分比为：Al2O3粉15％、Cr2O3粉5％、CeO2粉0.5％、余量铁基合金粉。

本实施例中，铁基合金粉的组成成分及其重量百分比为：Si 1.0％，Mo2.0％，Ni10％，Cr 18％，Mn2.0％，余量Fe。

本实施例中，所述Ni5Al粉的粒径为45μm。

本实施例中，所述Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉的粒度均为100目。

本实施例中，所述结合层的喷涂厚度为80μm。

本实施例中，所述抗磨蚀层的喷涂厚度为450μm。

另外，本实施例还提供一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)抗磨蚀层喷涂粉制备：

将Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉混合后放入高能球磨机进行球磨3h，转速设定为300rpm，球磨结束后过200目筛获得均匀的混合粉末，用体积比6∶1的分散剂(羟甲基纤维素钠)和粘结剂(聚乙二醇)与混合粉末混合制备悬浮液，然后利用YC-018型喷雾造粒机制备抗磨蚀层喷涂粉，所制得抗磨蚀层喷涂粉的粒径为60μm；

(2)待喷涂基底处理：

首先，去除待喷涂0Cr13Ni4Mo不锈钢基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.6MPa，而后利用压缩空气吹去0Cr13Ni4Mo不锈钢基底表面浮尘，再将其置于体积比为1∶1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；

(3)涂层制备：

结合层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在待喷涂0Cr13Ni4Mo不锈钢基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；

抗磨蚀层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂抗磨蚀层，所述抗磨蚀层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；

(4)涂层的后处理：

将步骤(3)制备的涂层进行打磨后利用石蜡对涂层进行封孔处理得到新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层。

实施例2

一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层，该CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和抗磨蚀层组成；所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述抗磨蚀层的组成成分及其重量百分比为：Al2O3粉20％、Cr2O3粉10％、CeO2粉1.0％、余量铁基合金粉。

本实施例中，铁基合金粉的组成成分及其重量百分比为：Si 1.0％，Mo3.0％，Ni14％，Cr 20％，Mn2.0％，余量Fe。

本实施例中，所述Ni5Al粉的粒径为90μm。

本实施例中，所述Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉的粒度均为200目。

本实施例中，所述结合层的喷涂厚度为100μm。

本实施例中，所述抗磨蚀层的喷涂厚度为700μm。

另外，本实施例还提供一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)抗磨蚀层喷涂粉制备：

将Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉加入高能球磨机进行球磨3h，转速设定为300rpm。球磨结束后过200目筛获得均匀的混合粉末，用体积比6∶1的分散剂(羟甲基纤维素钠)和粘结剂(聚乙二醇)与混合粉末混合制备悬浮液，然后利用YC-018型喷雾造粒机制备抗磨蚀层喷涂粉，所制得抗磨蚀层喷涂粉的粒径为80μm；

(2)待喷涂基底处理：

首先，去除待喷涂1Cr18Ni9Ti不锈钢基底表面附着的杂质，然后依次在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.7MPa，而后利用压缩空气吹去1Cr18Ni9Ti不锈钢基底表面浮尘，再将其置于体积比为1∶1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；

(3)涂层制备：

结合层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在待喷涂不锈钢基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；

抗磨蚀层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂抗磨蚀层，所述抗磨蚀层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；

(4)涂层的后处理：

将步骤(3)制备的涂层进行打磨后利用石蜡对涂层进行封孔处理得到新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层。

实施例3

一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层，该CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层由依次经过超音速等离子喷涂的结合层和抗磨蚀层组成；所述结合层的组成成分为Ni5Al粉；所述抗磨蚀层的组成成分及其重量百分比为：Al2O3粉18％、Cr2O3粉8％、CeO2粉0.6％、余量铁基合金粉。

本实施例中，铁基合金粉的组成成分及其重量百分比为：Si 1.0％，Mo2.5％，Ni12％，Cr 19％，Mn2.0％，余量Fe。

本实施例中，所述Ni5Al粉的粒径为70μm。

本实施例中，所述Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉的粒度为150目。

本实施例中，所述结合层的喷涂厚度为90μm。

本实施例中，所述抗磨蚀层的喷涂厚度为600μm。

另外，本实施例还提供一种新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)抗磨蚀层喷涂粉制备：

将Al2O3粉、Cr2O3粉、CeO2粉、铁基合金粉加入高能球磨机进行球磨3h，转速设定为300rpm。球磨结束后过200目筛获得均匀的混合粉末，用体积比6∶1的分散剂(羟甲基纤维素钠)和粘结剂(聚乙二醇)与混合粉末混合制备悬浮液，然后利用YC-018型喷雾造粒机制备抗磨蚀层喷涂粉，所制得抗磨蚀层喷涂粉的粒径为70μm；

(2)待喷涂基底处理：

首先，去除待喷涂0Cr13Ni4Mo不锈钢基底表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗15分钟，压缩空气吹干；然后利用压力喷砂机对基底表面进行喷砂处理，以天然白刚玉为磨料、压缩空气压力为0.65MPa，而后利用压缩空气吹去0Cr13Ni4Mo不锈钢基底表面浮尘，再将其置于体积比为1∶1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；

(3)涂层制备：

结合层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在待喷涂不锈钢基底上喷涂结合层，所述结合层的喷涂参数为：工作电压60V，电流500A，H2流速为5L/min，Ar流速为40L/min，送粉率为25g/min；

抗磨蚀层制备：利用SulZer Metco 9MC超音速等离子喷涂设备在结合层上喷涂抗磨蚀层，所述抗磨蚀层的喷涂参数为：工作电压55V，电流600A，H2流速为5.5L/min，Ar流速为50L/min，送粉率为30g/min；

(4)涂层的后处理：

将步骤(3)制备的涂层进行打磨后利用石蜡对涂层进行封孔处理得到新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层。

上述实施例制备新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的原理是：通过在抗磨蚀层中添加CeO2粉体，主要是利用稀土元素与氧、氢等杂质元素有较强的亲和力，易形成稀土氧化物与稀土硫化物等稳定的化合物，从而减少了涂层的气孔和夹杂，提高涂层组织致密性。另外，稀土氧化物发生分解生成了活性原子[Ce]，能够在涂层形成过程中促进元素间的化学冶金反应，新形成的一些化合物相常常作为非自发形核的质点，起到异质晶核的作用，有效地细化涂层组织，进一步提高涂层的硬度、强度等力学性能。

按照上述制备新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的方法制得的新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层，经测试知：新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层通过稀土CeO2改性和Cr2O3等硬质相的颗粒增强作用，改善了铁基合金涂层微观组织结构，提高了涂层的硬度、强度及抗磨蚀性能；本发明所制备的涂层组织致密且孔隙度低于3％，涂层的显微硬度不低于1300HV0.2，与超音速火焰喷涂WC涂层的硬度相当，但本涂层的成本却低很多；将本发明制得的新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层与Fe/WC涂层、WC涂层的硬度进行比较，比较结果如图1所示，从图1中可以看出：本发明的制得的新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的硬度明显高于Fe/WC涂层、WC涂层的硬度；另外，本发明的制得的新型CeO2改性铁基合金抗磨蚀涂层的结合强度达40MPa左右，磨损率在3×10-3mm3/(N.m)以下，抗磨蚀性能远高于常规的水力机械过流部件的母材金属(如0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni62Mo高强度不锈钢)。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。