用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層專用材料及其制備方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料表面改性領域，具體涉及用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層專用材料及其制備方法。
【【背景技術】】
[0002]閥門是裝備制造業的重要組成部分之一，也是流體輸送系統中主要的控制部件，廣泛應用于化工、石化、石油、造紙、采礦、電力、食品、制藥、給排水、機械設備配套、電子工業、城建等領域，包括球閥、蝶閥、閘閥、截止閥、調節閥等多個種類。
[0003]閥門的密封性能是閥門最重要的技術性能指標，閥門密封部位(如啟閉件與閥座兩密封面間的接觸處，填料與閥桿和填料函的配合處，閥體與閥蓋的連接處等)的物理、化學及機械性能直接決定著閥門的質量和性能。
[0004]通過在閥門的密封部位制備適應特定工況條件的表面涂層(如耐磨、耐蝕等)是目前閥門改性的一個重要方面。
[0005]Ni基合金(如Ni45、Ni60等)、Co基合金(如Stellite 6)等是目前用的較多的表面耐磨、耐蝕涂層材料，通常采用熱噴涂、激光熔覆等方法來制備，但這些制備方法需要較高的熱量將涂層材料或基體材料熔化，因此會導致涂層材料出現分解、氧化、相變、晶粒長大等不良現象。同時，較高的熱輸入還會使涂層和被處理工件的熱影響區較大，容易導致涂層和工件變形開裂，特別是處理大面積薄工件時，工件變形翹曲的現象尤為嚴重。
[0006]鍍硬鉻法是另外一種常用的提高材料表面硬度的涂層制備方法，雖然能夠避免熱噴涂、激光熔覆等方法在處理大面積薄工件時容易出現的熱致不良影響，但涂層厚度太薄，一般只有0.05?0.15_左右，且不適合表面比較復雜的工件。此外，鍍鉻工藝的環境污染問題非常嚴重，大大限制了鍍鉻工藝的發展和應用。
[0007]冷噴涂是一種依靠固態顆粒高速碰撞基體后發生強烈塑性變形而沉積形成涂層的一種新型噴涂技術，避免了熱噴涂、激光熔覆等高溫制備過程中發生的成分組織變化以及對被處理工件的不良熱影響，同時冷噴涂還具有較高的沉積效率，所制備涂層的厚度可達1_以上，遠遠高于鍍硬鉻方法。但是目前冷噴涂主要用于制備塑性較好的涂層如Al、Cu、Ti等，難以制備高硬度耐磨涂層，特別是在大面積工件上沉積高強度材料涂層時，需要用價格昂貴的氦氣作為工作載氣，生產成本較高。此外，冷噴涂涂層與基體的結合機制主要是機械咬合，涂層/基體結合力較差，涂層容易剝落。
[0008]綜上所述，發明一種用于薄閥板表面改性的不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層專用材料及其高效制備方法具有重要意義。
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【發明內容】
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[0009]本發明針對現有的閥門表面改性涂層及其制備技術存在的上述不足，提供一種以不銹鋼為粘結相，硬質相顆粒為增強相的用于薄閥板表面改性的不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層專用材料及其高效制備方法，解決現有制備技術中存在的涂層材料氧化分解、工件變形、涂層厚度薄以及涂層結合力差等問題。
[0010]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0011]本發明提供一種用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層專用材料，采用不銹鋼金屬粉末作為復合涂層粘結相，通過引入硬質相顆粒增強其耐磨性能；其中:不銹鋼金屬粉末為316L不銹鋼粉末，硬質相顆粒為WC，復合涂層中各元素的含量分別為:Cr 8?9wt%，Ni5 ?6wt %, Mo I ?2wt %, W 42 ?43wt %，C 2 ?3wt %，余量為 Fe。
[0012]本發明還提供一種基于所述的用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0013]步驟(I):利用機械球磨法將316L不銹鋼粉末和WC硬質相顆粒粉末以7:3的體積比混合均勾，球磨轉速為300?800r/min，球磨時間為3?36h ；
[0014]步驟(2):利用連續激光輔助冷噴涂的方法在薄閥板上沉積不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層，連續激光光斑與噴涂光斑重合；其中:連續激光的能量密度為3?5X105W/cm2，連續激光的輸出功率通過閉環反饋控溫模式實時調整；沉積溫度依據不銹鋼金屬粉末的熔點來選擇，并低于金屬粉末的熔點，使其軟化但不熔化；冷噴涂工藝參數為載氣壓力I?4MPa、載氣預熱溫度350?550°C、噴涂距離20?40mm、送粉量30?60g/min、載氣為壓縮空氣或壓縮氮氣中的一種。
[0015]本發明與【背景技術】相比，具有的有益技術效果如下:
[0016](I)本發明涉及的不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層是采用基于冷噴涂的方法制備的，保持了冷噴涂低溫沉積的特性，從而避免了激光熔覆、熱噴涂等高溫沉積技術導致的涂層材料分解、氧化、相變、晶粒長大等不良現象以及工件變形、開裂、翹曲的問題，特別是在處理大面積薄工件時，其優勢最為明顯；
[0017](2)本發明涉及的不銹鋼基耐磨/耐蝕復合涂層的制備方法是在冷噴涂的過程中同步引入激光輻照，激光的加熱作用使噴涂金屬粉末得到軟化，軟化的金屬粉末塑性變形較充分，其作為粘結相與硬質相顆粒結合良好，涂層中的硬質相顆粒不易脫落。同時，由于激光對基體的軟化作用，可使噴涂粉末有效嵌入基體中，顯著提高了涂層與基體的界面結合強度。
[0018](3)本發明在冷噴涂的過程中引入激光，激光對噴涂金屬粉末的軟化作用，大大降低了其臨界沉積速度，提高了涂層沉積效率。此外，由于冷噴涂技術的低溫沉積特性，涂層中熱應力較小，且涂層中的殘余應力主要為壓應力，涂層不易開裂。因此，綜合激光的軟化作用和冷噴涂的固有特性，實現了不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層的高效制備，涂層厚度顯著增加。
[0019](4)本發明涉及的技術可以快速在金屬基體上獲得毫米級的不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層，基體熱影響小，特別適合于大面積薄閥門工件的修復和強化。
【【附圖說明】】
[0020]圖1為30vol% WC/316L復合涂層的宏觀形貌；
[0021]圖2為30vol% WC/316L復合涂層界面結合形貌；
[0022]圖3為30vol% WC/316L復合涂層中WC與316L不銹鋼粉末的界面結合；
[0023]圖4為30vol% WC/316L復合涂層的摩擦曲線。【【具體實施方式】】
[0024]下面結合附圖和依照本發明的技術方案作出具體事例對本發明作進一步的說明，但本發明并不局限于下面實例。
[0025]選用316L不銹鋼粉末作為復合涂層粘結相與WC硬質相顆粒混合。
[0026]其中:復合涂層中各元素的含量分別為:復合涂層中各元素的含量分別為:Cr8?9wt %, Ni 5 ?6wt %, Mo I ?2wt %, W 42 ?43wt %，C 2 ?3wt %，余量為 Fe。
[0027]將316L不銹鋼粉末和WC硬質相顆粒粉末以7:3的體積比球磨混合，球磨方式為行星式球磨，球磨轉速為400r/min，球磨時間為3h，基體選用材質為不銹鋼的大面積薄閥板，閥板面積為297cm2，閥板厚度為0.7cm，閥板表面經超聲波清洗和噴砂預處理。利用連續激光輔助冷噴涂的方法制備30vol% WC/316L復合涂層，連續激光的能量密度為3?5 X 105W/cm2，連續激光的輸出功率通過閉環反饋控溫模式實時調整；沉積溫度依據不銹鋼金屬粉末的熔點來選擇，并低于金屬粉末的熔點，使其軟化但不熔化；載氣為2.5MPa的壓縮氮氣，載氣預熱溫度為450°C，噴涂距離為30mm，噴涂移動速度為10mm/s，送粉量30?60g/mino
[0028]圖1所示為30vol% WC/316L復合涂層的宏觀形貌，復合涂層厚度超過1mm，復合涂層致密，無裂紋和孔隙。WC顆粒在復合涂層中均勻分布。復合涂層與基體結合良好，如圖2所示。復合涂層中WC沒有出現熱分解現象，完整地保持了 WC的形貌，WC顆粒與316L復合涂層粘結相結合良好，如圖3所示。所制備的復合涂層較單純的316L涂層具有更好的耐磨性能，如圖4所示。處理前后的閥板沒有出現變形翹曲的現象，仍然較好地保持了其原有尺寸。
[0029]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限與此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化和替換，都應該涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層專用材料，其特征在于，包括硬質相顆粒和作為復合涂層粘結相的不銹鋼金屬粉末，其中:不銹鋼金屬粉末為316L不銹鋼粉末，硬質相顆粒為WC，復合涂層中各元素的含量分別為:Cr 8?9wt%，Ni 5?6wt%，Mo I?2wt%，W42 ?43wt%，C 2 ?3wt%，余量為 Fe。
2.基于權利要求1中所述的用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(I):利用機械球磨法將316L不銹鋼粉末和WC硬質相顆粒粉末以7:3的體積比混合均勾，球磨轉速為300?800r/min，球磨時間為3?36h ； 步驟(2):利用連續激光輔助冷噴涂的方法在薄閥板上沉積不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層，連續激光光斑與噴涂光斑重合；其中:連續激光的能量密度為3?5X105W/cm2，連續激光的輸出功率通過閉環反饋控溫模式實時調整；沉積溫度依據不銹鋼金屬粉末的熔點來選擇，并低于金屬粉末的熔點，使其軟化但不熔化；冷噴涂工藝參數為載氣壓力I?4MPa、載氣預熱溫度350?550°C、噴涂距離20?40mm、送粉量30?60g/min、載氣為壓縮空氣或壓縮氮氣中的一種。
【專利摘要】本發明涉及材料表面改性領域，具體涉及用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層專用材料及其制備方法，其中用于薄閥板的不銹鋼基復合涂層專用材料是采用不銹鋼金屬粉末作為復合涂層粘結相，通過引入硬質相顆粒增強其耐磨性能；其中：不銹鋼金屬粉末為316L不銹鋼粉末，硬質相顆粒為WC，復合涂層中各元素的含量分別為：Cr？8～9wt％，Ni？5～6wt％，Mo1～2wt％，W？42～43wt％，C？2～3wt％，余量為Fe。本發明涉及的不銹鋼基耐磨耐蝕復合涂層是采用基于冷噴涂的方法制備的，保持了冷噴涂低溫沉積的特性，從而避免了激光熔覆、熱噴涂等高溫沉積技術導致的涂層材料分解、氧化、相變、晶粒長大等不良現象。
【IPC分類】C23C24-08, C22C32-00, C22C38-56
【公開號】CN104561991
【申請號】CN201410833345
【發明人】姚建華, 李波, 周志勇
【申請人】瑞安市博業激光應用技術有限公司, 浙江工業大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日