热喷涂粉末及其制备方法与流程

本发明涉及材料领域，具体地，涉及热喷涂粉末，以及制备热喷涂粉末的方法。
背景技术：
：热喷涂技术是表面改质领域中的一项关键技术，通过在被加工工件表面制备一层耐磨涂层，使工件的耐磨性能、耐腐蚀性能获得大幅提高。已广泛应用的碳化钨-钴、和碳化钨-钴-铬系列的热喷涂粉末，由于其高的硬度、良好的韧性和耐磨耐蚀性，广泛地应用于航空航天、冶金、机械等领域。相对于电镀硬铬层，常规热喷涂碳化钨-钴、和碳化钨-钴-铬系列涂层在耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性等方面有明显的优势，而且制备速度快，环境污染小；但是碳化钨基喷涂粉成本高，电镀铬成本低，大多数企业仍选择电镀铬的方式生产，2015年国家多环保要求越来越严格，采用热喷涂粉替代电镀铬是必然的，但是降低碳化钨基热喷涂粉生产成本可以让一些企业更快的转型，使用环境污染小的热喷涂技术。由此，热喷涂粉末有待改进。技术实现要素：本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种热喷涂粉末，该热喷涂粉末在常规的WC/Co热喷涂粉基础上进行改良，降低了碳化钨的用量，并添加了镍和铬，使粉末上粉率达到50％以上，生产成本显著降低，仅需200～300元/kg，并且，该热喷涂粉末形成的涂层硬度、开裂韧性和耐磨性均比电镀铬材料好。因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种热喷涂粉末。根据本发明的实施例，该热喷涂粉末包括：15～40质量份的碳化钨、45～65质量份的碳化铬、10～20质量份的镍和1～7质量份的铬。根据本发明实施例的热喷涂粉末，通过降低原料中价格高的碳化钨的比例，提高原料中价格低廉的碳化铬的比例，使热喷涂粉末的生产成本总体下降，生产成本仅需200～300元/kg，并且热喷涂涂层的性能可以达到电镀铬材料的要求，即涂层硬度HV0.3>800，涂层开裂韧性和耐磨性比电镀铬材料好，粉末上粉率可达到50％以上。此外，该材料易于制备，环境污染小，在价格和涂层性能上都比电镀铬材料有优势，适于工业生产的广泛应用。另外，根据本发明上述实施例的热喷涂粉末，还可以具有如下附加的技术特征：根据本发明的实施例，该热喷涂粉末包括：20～32质量份的所述碳化钨、50～60质量份的所述碳化铬、12～18质量份的所述镍和2～6质量份的所述铬。根据本发明的实施例，所述碳化钨的平均粒径为2.0～4.0μm，所述碳化铬的平均粒径为2.0～3.5μm，所述镍的平均粒径为1.0～2.5μm，所述铬的平均粒径为不大于14μm。根据本发明的实施例，所述热喷涂粉末的松装密度为2.0～2.8g/cm3。根据本发明的实施例，所述热喷涂粉末的平均粒径为5～63μm。根据本发明的实施例，所述热喷涂粉末的平均粒径为5～30μm。根据本发明的实施例，所述热喷涂粉末的平均粒径为20～63μm。根据本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前述热喷涂粉末的方法。根据本发明的实施例，该热喷涂粉末包括：提供预定量的碳化钨、碳化铬、镍和铬，以便得到混合物料；将所述混合物料进行球磨混料处理，以便得到混合物细粉；将所述混合物细粉进行造粒处理，以便得到混合物颗粒；将所述混合物颗粒进行烧结处理，以便得到烧结产物；以及将所述烧结产物进行破碎筛分，以便获得所述热喷涂粉末。根据本发明实施例制备热喷涂粉末的方法制备得到热喷涂粉末，原料中价格高的碳化钨的比例低，而价格低廉的碳化铬的比例高，使热喷涂粉末的生产成本总体下降，并且热喷涂涂层的性能可以达到电镀铬材料的要求，即涂层硬度HV0.3>800，涂层开裂韧性和耐磨性比电镀铬材料好，粉末上粉率可达到50％以上。此外，该制备方法简单，环境污染小，适于工业生产的广泛应用。根据本发明的实施例，所述球磨混料处理包括：将所述混合物料与还原碳、聚乙烯醇、消泡剂和水混合，以便得到固液混合物，其中，所述固液混合物的固液比为4～5.5：1；将所述固液混合物进行球磨处理，以便得到混合物细粉。根据本发明的实施例，利用开放式离心喷雾干燥塔进行所述造粒处理。根据本发明的实施例，所述开放式离心喷雾干燥塔的进口温度为200～250℃，出口温度为100～150℃，塔内气压为0～-1KPa，离心雾化盘频率为40～350HZ。根据本发明的实施例，所述烧结处理的温度为1000～1200摄氏度，时间为120～180分钟。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1显示了根据本发明一个实施例的制备前述热喷涂粉末的方法的流程示意图；图2显示了根据本发明一个实施例的热喷涂粉末金相图片示意图；图3显示了根据本发明一个实施例的热喷涂粉末喷涂出的涂层的金相图片示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。根据本发明的一个方面，本发明提供了一种热喷涂粉末。根据本发明的实施例，该热喷涂粉末包括：15～40质量份的碳化钨、45～65质量份的碳化铬、10～20质量份的镍和1～7质量份的铬。根据本发明实施例的热喷涂粉末，碳化钨和碳化铬作为硬质相、在涂层应用中起到提高硬度和耐磨性作用，通过降低原料中价格高的碳化钨的比例，提高原料中价格低廉的碳化铬的比例，使热喷涂粉末的生产成本总体下降，生产成本仅需200～300元/kg，并且热喷涂涂层的性能可以达到电镀铬材料的要求，即涂层硬度HV0.3>800。以镍和铬作为粘结相，使热喷涂粉末形成的涂层的开裂韧性和耐磨性比电镀铬材料好，粉末上粉率可达到50％以上，并具有防腐性。此外，该材料易于制备，环境污染小，在价格和涂层性能上都比电镀铬材料有优势，适于工业生产的广泛应用。其中，需要说明的是，碳化钨的密度为15.63g/cm3、碳化铬的密度为6.68g/cm3，碳化钨和碳化铬的不同配比，影响两种成品热喷涂粉末的体积密度、且对烧结的致密性和产品密度影响也不同，从而影响涂层性能。具体地，碳化铬耐腐蚀性能优良但是耐磨性较碳化钨差，而碳化钨的耐磨性能较碳化铬好，只有两者比例匹配，达到即具有良好的耐腐蚀性，又具有比替代电镀铬更好的耐磨性能。其中，需要说明的是，当碳化钨小于15质量份时，这种热喷涂粉末开裂韧性不理想；当碳化钨的质量百分比大于40质量份时，粉末沉积效率降低，且加大了粉末成本。因此碳化钨的质量百分比15～40质量份时，生产的热喷涂粉末性能较好。根据本发明一些的实施例，该热喷涂粉末可以包括：20～32质量份的碳化钨、50～60质量份的碳化铬、12～18质量份的镍和2～6质量份的铬。由此，热喷涂粉末的涂层硬度和上粉率更佳。根据本发明的实施例，碳化钨的平均粒径为2.0～4.0μm，碳化铬的平均粒径为2.0～3.5μm，镍的平均粒径为1.0～2.5μm，铬的平均粒径为不大于14μm。碳化钨和碳化铬作为硬质相，虽然在球磨过程中也会相应的变细，一般平均下降约1微米，但如果原料中碳化钨和碳化铬的粒度规格太粗，将影响喷涂的沉积效率，进而增加使用成本。而且不同粒度规格的硬质相其耐磨损的应用工况是不同的，碳化钨和碳化铬在4微米以下，热喷涂粉末的耐磨损性能好。而镍粉作用粘结相，越细则分布越均匀，但如果过细则对工艺要求较高，增加生产成本，进而，镍的平均粒径为1.0～2.5微米，而铬因制造方法限制，难以低成本得到粒径很细的铬，并且，铬具有一定的延展性，太粗的铬不利于球磨的细化和产品的分布，且铬是防腐的重要元素，分布不均匀将严重影响其耐腐蚀性，铬的平均粒径为不大于14μm即满足热喷涂粉末对粒度的要求，又能保证低成本地得到该粒径的铬。根据本发明的实施例，热喷涂粉末的松装密度直接影响热喷涂粉末的性能，当热喷涂粉末的松装密度为2.0～2.8g/cm3时，热喷涂粉末为球形、流动性好，粒子强度好，喷涂上粉率高，涂层致密，硬度高，韧性好。而当热喷涂粉末的松装密度小于2.0g/cm3时，粉末粒子强度差,喷涂时上粉率较低；涂层不致密,耐磨性差。当热喷涂粉末的松装密度大于2.8g/cm3时，粉末形貌不规则，流动性较差，并且喷涂时易磨损枪管，上粉率低，涂层韧性较差。本发明实施例的热喷涂粉末主要用于超音速火焰喷涂或者其它热喷涂层制备工艺，由此，热喷涂粉末的平均粒径为5～63μm。其中，需要说明的是，不同粒径的热喷涂粉末的用途不同，根据本发明的一些实施例，热喷涂粉末的平均粒径为5～30μm时，主要用于HVAF热喷涂。根据本发明的又一些实施例，热喷涂粉末的平均粒径为20～63μm时，主要用于HVOF热喷涂。在此基础上，根据本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前述热喷涂粉末的方法。根据本发明的实施例，该热喷涂粉末包括：S100备料处理根据本发明的实施例，提供预定量的碳化钨、碳化铬、镍和铬，得到混合物料。通过预定量的碳化钨、碳化铬、镍和铬，使最终得到热喷涂粉末的成份满足包括15～40质量份的碳化钨、45～65质量份的碳化铬、10～20质量份的镍和1～7质量份的铬。根据本发明的实施例，碳化钨的平均粒径为2.0～4.0μm，碳化铬的平均粒径为2.0～3.5μm，镍的平均粒径为1.0～2.5μm，铬的平均粒径为不大于14μm。碳化钨和碳化铬作为硬质相，虽然在球磨过程中也会相应的变细，一般平均下降约1微米，但如果原料中碳化钨和碳化铬的粒度规格太粗，将影响喷涂的沉积效率，进而增加使用成本。而且不同粒度规格的硬质相其耐磨损的应用工况是不同的，碳化钨和碳化铬在4微米以下，热喷涂粉末的耐磨损性能好。而镍粉作用粘结相，越细则分布越均匀，但如果过细则对工艺要求较高，增加生产成本，进而，镍的平均粒径为1.0～2.5微米，而铬因制造方法限制，难以低成本得到粒径很细的铬，并且，铬具有一定的延展性，太粗的铬不利于球磨的细化和产品的分布，且铬是防腐的重要元素，分布不均匀将严重影响其耐腐蚀性，铬的平均粒径为不大于14μm即满足热喷涂粉末对粒度的要求，又能保证低成本地得到该粒径的铬。S200球磨处理根据本发明的实施例，将混合物料进行球磨混料处理，得到混合物细粉。由此，通过球磨处理，使混合物料的粒径更小，分布性更好。其中，需要说明的是，球磨混料处理的时间不受特别的限制，只要球磨后的物料的粒径不在变小即可。根据本发明的实施例，球磨的时间为4-24小时。由此，混合细粉的粒径小，分散性好，得到的热喷涂粉末的粒径更小。根据本发明的实施例，所述球磨混料处理包括：将混合物料与还原碳、聚乙烯醇、消泡剂和水混合，得到固液混合物，其中，固液混合物的固液比为4～5.5：1。还原碳、聚乙烯醇、消泡剂的加入量可以根据原料中个成份的比例，产品的用途等进行调整，其中还原碳为还原剂，还原碳的加入量为混合物料质量的0.2～0.3％，聚乙烯醇(PVA)为粘结剂，聚乙烯醇的加入量为混合物料质量的0.8～1.0％，消泡剂的加入量为混合物料质量的0.25～0.5％；将固液混合物进行球磨处理，得到混合物细粉。由此，由此，球磨效果好，安全性高，其中，聚乙烯醇是易溶于水溶性高分子聚合物，由于PVA具有独特的强力粘接性，造粒粒子球形度好，产品烧结时流动性稳定。同时高温裂解产物为C、H、O，无杂质残留。根据本发明的一些实施例，利用可倾式滚筒球磨机进行球磨混料处理。由此，球磨效率高，效果好。S300造粒处理根据本发明的实施例，将混合物细粉进行造粒处理，得到混合物颗粒。如有原料的粒径过小，烧结处理的流动性差，影响烧结效果，通过造粒处理，增大物料的粒径，得到混合物颗粒，使烧结处理的流动性更佳。根据本发明的实施例，造粒处理的方法不受特别的限制，只要得到的粒状物料的粒径适宜即可。根据本发明的一些实施例，采用喷雾造粒法进行造粒处理。由此，造粒成本低，效果好。根据本发明的优选实施例，采用开放式离心喷雾干燥塔进行造粒处理。由此，无需采用封闭式喷雾干燥机，设备成本更低，并且，避免因使用酒精或丙酮等球磨介质而带来安全环保问题。根据本发明的一些实施例，开放式离心喷雾干燥塔的进口温度为200～250℃，出口温度为100～150℃，塔内气压为0～-1KPa，离心雾化盘频率为40～350HZ。由此，混合物颗粒的粒度适宜，得到的产品的粒径小。S400烧结处理根据本发明的实施例，将混合物颗粒进行烧结处理，得到烧结产物。根据本发明的具体实施例，将混合物颗粒置于三层石墨舟中，装舟量为1.2kg/层，在真空炉中进行烧结。根据本发明的实施例，烧结处理的温度为1000～1200摄氏度，时间为120～180分钟。由此，烧结处理的温度低，效果好，效率高。S500破碎筛分根据本发明的实施例，将烧结产物进行破碎筛分，获得所述热喷涂粉末。由此，并根据破碎产物的粒度分布区间得到合适的粒度规格的热喷涂粉末。根据本发明的一些实施例，可以采用过筛或气流分级的方式得到合适的粒度规格的热喷涂粉末。根据本发明的实施例，热喷涂粉末的松装密度直接影响热喷涂粉末的性能，当热喷涂粉末的松装密度为2.0～2.8g/cm3时，热喷涂粉末为球形、流动性好，粒子强度好，喷涂上粉率高，涂层致密，硬度高，韧性好。而当热喷涂粉末的松装密度小于2.0g/cm3时，粉末粒子强度差,喷涂时上粉率较低；涂层不致密,耐磨性差。当热喷涂粉末的松装密度大于2.8g/cm3时，粉末形貌不规则，流动性较差，并且喷涂时易磨损枪管，上粉率低，涂层韧性较差。根据本发明的实施例，热喷涂粉末的平均粒径为5～63μm。由此，热喷涂粉末的流动性和延展性好，上粉率高，涂层硬度高，开裂韧性和耐磨性好。其中，需要说明的是，不同粒径的热喷涂粉末的用途不同，根据本发明的一些实施例，热喷涂粉末的平均粒径为5～30μm时，主要用于HVAF热喷涂。根据本发明的又一些实施例，热喷涂粉末的平均粒径为20～63μm时，主要用于HVOF热喷涂。下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。实施例11、备料：按下表数据备好碳化钨、碳化铬，镍粉，铬粉；原料成分碳化钨碳化铬镍粉铬粉粒度规格(微米)3.02.7～3.51.0～2.5≤14质量百分比(％)24.3656.64715.6623.332重量(kg)53.6124.634.57.32、混料球磨：将以上原料按配比加入可倾式滚筒球磨机中，再加入原料重量的0.5％的10％浓度的聚乙烯醇(11kg)和原料重量的0.18％的粘结剂(0.6kg)，炭黑0.96kg，水离子水45L，得到固液混合物，该固液混合物的固液比为4.9:1；然后将该固液混合物球磨48小时后，卸料过筛180目，再加入原料重量的0.09％的粘结剂(0.6kg)至料浆。3、造粒：采用开放式离心喷雾干燥塔对料浆进行造粒，喷雾干燥塔的进口温度控制在200～250℃，出口温度控制在100～150℃，喷雾干燥塔塔内气压控制在0～-1KPa，离心雾化盘频率为40～350HZ，得到球形混合料。4、烧结：将球形混合料转入三层石墨舟中，装舟量为1.2kg/层，在真空炉中进行烧结，烧结保温为：150分钟，烧结温度为：1186℃，得到烧结产物。5、破碎分级：将烧结产物采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛的方式得到最终合适的粒度规格粉末，其中粒度规格为5～30微米110kg、20～63微米100kg，生产过程金属损失约10kg(4.55％)，产品松装密度范围为2.2～2.4g/cm3。6、检测对该粉末制备的涂层进行检测，结果如下：热喷涂粉末金相图片如图2所示，热喷涂粉末喷涂出的涂层金相图片如图3所示，维式硬度，载荷300g，硬度平均值为大于950HV300g，电镀硬铬的硬度平均值为800～850HV300g，开裂韧性指标Kc在3.4～4.3，磨粒磨损失重小于9mg/2000r，磨损量比电镀硬铬少4～5倍，且当温度超过70℃时，电镀硬铬磨损量翻倍。涂层孔隙率小于1％，与基材结合强度大于70MPa，综合性能优于电镀铬材料。该WC-Cr3C2-Ni-Cr热喷涂粉末流动性良好，喷涂过程，粉末上粉率为53.6％，制备的涂层具有优良的综合性能指标，耐磨性和韧性指标均高于同等WC-Cr3C2-Ni-Cr热喷涂粉末涂层。因此该粉末适于制备耐磨性较高，成本较低，且具备一定韧性要求的涂层。实施例21、备料：按下表的数据备好碳化钨、碳化铬，镍粉，铬粉。原料成分中颗粒碳化钨碳化铬镍粉铬粉粒度规格(微米)3.02.7-3.51.0～2.5≤14质量百分比(％)30.29552.17514.6052.925重量(kg)66.6114.832.16.42、混料球磨：将以上原料按配比加入可倾式滚筒球磨机中，再加入原料重量的0.3％的15％浓度的聚乙烯醇(4.4kg)和原料重量的0.09％的粘结剂(0.2kg)，炭黑0.96kg，水离子水55L混合，得到固液混合物；将该固液混合物球磨48小时后，卸料过筛180目，再加入原料重量的0.05％的粘结剂(0.1kg)至料浆。3、造粒：采用开放式离心喷雾干燥塔对料浆进行造粒，喷雾干燥塔的进口温度控制在200～250℃，出口温度控制在100～150℃，喷雾干燥塔塔内气压控制在0～-1KPa，离心雾化盘频率为40～350HZ，得到球形混合料。4、烧结：将球形混合料转入三层石墨舟中，装舟量为1.2kg/层，在真空炉中进行烧结，烧结保温为：150分钟，烧结温度为：1186℃，得到烧结产物。5、破碎分级：烧结后过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用气流分级的方式得到最终合适的粒度规格粉末，其中粒度规格为5～30微米106kg、20～63微米103kg，生产过程金属损失约11kg(5.0％)，产品松装密度范围为2.25～2.6g/cm3。6、检测对该粉末制备的涂层进行检测，结果如下：维氏硬度，载荷300g，硬度平均值为大于1000HV300g，电镀硬铬的硬度平均值为800～850HV300g，由于电镀硬铬开裂韧性指标Kc在3.8～4.6，磨粒磨损失重小于10mg/2000r，磨损量比电镀硬铬少4～5倍，且当温度超过70℃时，电镀硬铬磨损量翻倍。涂层孔隙率小于1％，与基材结合强度大于70MPa，综合性能优于电镀铬材料。该WC-Cr3C2-Ni-Cr热喷涂粉末流动性良好，喷涂过程，粉末上粉率为51.85％，制备的涂层具有优良的综合性能指标，硬度、韧性指标高于同等WC-Cr3C2-Ni-Cr热喷涂粉末涂层。因此该粉末适于制备硬度较高，成本较低，且具备一定耐磨性要求的涂层。7、将实施例1与本申请的热喷涂粉末的性能进行比对，具体如下：在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。当前第1页1 2 3