用于薄阀板的不锈钢基复合涂层专用材料及其制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料表面改性领域，具体涉及用于薄阀板的不锈钢基复合涂层专用材料及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]阀门是装备制造业的重要组成部分之一，也是流体输送系统中主要的控制部件，广泛应用于化工、石化、石油、造纸、采矿、电力、食品、制药、给排水、机械设备配套、电子工业、城建等领域，包括球阀、蝶阀、闸阀、截止阀、调节阀等多个种类。
[0003]阀门的密封性能是阀门最重要的技术性能指标，阀门密封部位(如启闭件与阀座两密封面间的接触处，填料与阀杆和填料函的配合处，阀体与阀盖的连接处等)的物理、化学及机械性能直接决定着阀门的质量和性能。
[0004]通过在阀门的密封部位制备适应特定工况条件的表面涂层(如耐磨、耐蚀等)是目前阀门改性的一个重要方面。
[0005]Ni基合金(如Ni45、Ni60等)、Co基合金(如Stellite 6)等是目前用的较多的表面耐磨、耐蚀涂层材料，通常采用热喷涂、激光熔覆等方法来制备，但这些制备方法需要较高的热量将涂层材料或基体材料熔化，因此会导致涂层材料出现分解、氧化、相变、晶粒长大等不良现象。同时，较高的热输入还会使涂层和被处理工件的热影响区较大，容易导致涂层和工件变形开裂，特别是处理大面积薄工件时，工件变形翘曲的现象尤为严重。
[0006]镀硬铬法是另外一种常用的提高材料表面硬度的涂层制备方法，虽然能够避免热喷涂、激光熔覆等方法在处理大面积薄工件时容易出现的热致不良影响，但涂层厚度太薄，一般只有0.05?0.15_左右，且不适合表面比较复杂的工件。此外，镀铬工艺的环境污染问题非常严重，大大限制了镀铬工艺的发展和应用。
[0007]冷喷涂是一种依靠固态颗粒高速碰撞基体后发生强烈塑性变形而沉积形成涂层的一种新型喷涂技术，避免了热喷涂、激光熔覆等高温制备过程中发生的成分组织变化以及对被处理工件的不良热影响，同时冷喷涂还具有较高的沉积效率，所制备涂层的厚度可达1_以上，远远高于镀硬铬方法。但是目前冷喷涂主要用于制备塑性较好的涂层如Al、Cu、Ti等，难以制备高硬度耐磨涂层，特别是在大面积工件上沉积高强度材料涂层时，需要用价格昂贵的氦气作为工作载气，生产成本较高。此外，冷喷涂涂层与基体的结合机制主要是机械咬合，涂层/基体结合力较差，涂层容易剥落。
[0008]综上所述，发明一种用于薄阀板表面改性的不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层专用材料及其高效制备方法具有重要意义。
【
【发明内容】
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[0009]本发明针对现有的阀门表面改性涂层及其制备技术存在的上述不足，提供一种以不锈钢为粘结相，硬质相颗粒为增强相的用于薄阀板表面改性的不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层专用材料及其高效制备方法，解决现有制备技术中存在的涂层材料氧化分解、工件变形、涂层厚度薄以及涂层结合力差等问题。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0011]本发明提供一种用于薄阀板的不锈钢基复合涂层专用材料，采用不锈钢金属粉末作为复合涂层粘结相，通过引入硬质相颗粒增强其耐磨性能；其中:不锈钢金属粉末为316L不锈钢粉末，硬质相颗粒为WC，复合涂层中各元素的含量分别为:Cr 8?9wt%，Ni5 ?6wt %, Mo I ?2wt %, W 42 ?43wt %，C 2 ?3wt %，余量为 Fe。
[0012]本发明还提供一种基于所述的用于薄阀板的不锈钢基复合涂层的制备方法，包括如下步骤:
[0013]步骤(I):利用机械球磨法将316L不锈钢粉末和WC硬质相颗粒粉末以7:3的体积比混合均勾，球磨转速为300?800r/min，球磨时间为3?36h ；
[0014]步骤(2):利用连续激光辅助冷喷涂的方法在薄阀板上沉积不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层，连续激光光斑与喷涂光斑重合；其中:连续激光的能量密度为3?5X105W/cm2，连续激光的输出功率通过闭环反馈控温模式实时调整；沉积温度依据不锈钢金属粉末的熔点来选择，并低于金属粉末的熔点，使其软化但不熔化；冷喷涂工艺参数为载气压力I?4MPa、载气预热温度350?550°C、喷涂距离20?40mm、送粉量30?60g/min、载气为压缩空气或压缩氮气中的一种。
[0015]本发明与【背景技术】相比，具有的有益技术效果如下:
[0016](I)本发明涉及的不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层是采用基于冷喷涂的方法制备的，保持了冷喷涂低温沉积的特性，从而避免了激光熔覆、热喷涂等高温沉积技术导致的涂层材料分解、氧化、相变、晶粒长大等不良现象以及工件变形、开裂、翘曲的问题，特别是在处理大面积薄工件时，其优势最为明显；
[0017](2)本发明涉及的不锈钢基耐磨/耐蚀复合涂层的制备方法是在冷喷涂的过程中同步引入激光辐照，激光的加热作用使喷涂金属粉末得到软化，软化的金属粉末塑性变形较充分，其作为粘结相与硬质相颗粒结合良好，涂层中的硬质相颗粒不易脱落。同时，由于激光对基体的软化作用，可使喷涂粉末有效嵌入基体中，显著提高了涂层与基体的界面结合强度。
[0018](3)本发明在冷喷涂的过程中引入激光，激光对喷涂金属粉末的软化作用，大大降低了其临界沉积速度，提高了涂层沉积效率。此外，由于冷喷涂技术的低温沉积特性，涂层中热应力较小，且涂层中的残余应力主要为压应力，涂层不易开裂。因此，综合激光的软化作用和冷喷涂的固有特性，实现了不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层的高效制备，涂层厚度显著增加。
[0019](4)本发明涉及的技术可以快速在金属基体上获得毫米级的不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层，基体热影响小，特别适合于大面积薄阀门工件的修复和强化。
【【附图说明】】
[0020]图1为30vol% WC/316L复合涂层的宏观形貌；
[0021]图2为30vol% WC/316L复合涂层界面结合形貌；
[0022]图3为30vol% WC/316L复合涂层中WC与316L不锈钢粉末的界面结合；
[0023]图4为30vol% WC/316L复合涂层的摩擦曲线。【【具体实施方式】】
[0024]下面结合附图和依照本发明的技术方案作出具体事例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于下面实例。
[0025]选用316L不锈钢粉末作为复合涂层粘结相与WC硬质相颗粒混合。
[0026]其中:复合涂层中各元素的含量分别为:复合涂层中各元素的含量分别为:Cr8?9wt %, Ni 5 ?6wt %, Mo I ?2wt %, W 42 ?43wt %，C 2 ?3wt %，余量为 Fe。
[0027]将316L不锈钢粉末和WC硬质相颗粒粉末以7:3的体积比球磨混合，球磨方式为行星式球磨，球磨转速为400r/min，球磨时间为3h，基体选用材质为不锈钢的大面积薄阀板，阀板面积为297cm2，阀板厚度为0.7cm，阀板表面经超声波清洗和喷砂预处理。利用连续激光辅助冷喷涂的方法制备30vol% WC/316L复合涂层，连续激光的能量密度为3?5 X 105W/cm2，连续激光的输出功率通过闭环反馈控温模式实时调整；沉积温度依据不锈钢金属粉末的熔点来选择，并低于金属粉末的熔点，使其软化但不熔化；载气为2.5MPa的压缩氮气，载气预热温度为450°C，喷涂距离为30mm，喷涂移动速度为10mm/s，送粉量30?60g/mino
[0028]图1所示为30vol% WC/316L复合涂层的宏观形貌，复合涂层厚度超过1mm，复合涂层致密，无裂纹和孔隙。WC颗粒在复合涂层中均匀分布。复合涂层与基体结合良好，如图2所示。复合涂层中WC没有出现热分解现象，完整地保持了 WC的形貌，WC颗粒与316L复合涂层粘结相结合良好，如图3所示。所制备的复合涂层较单纯的316L涂层具有更好的耐磨性能，如图4所示。处理前后的阀板没有出现变形翘曲的现象，仍然较好地保持了其原有尺寸。
[0029]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限与此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.用于薄阀板的不锈钢基复合涂层专用材料，其特征在于，包括硬质相颗粒和作为复合涂层粘结相的不锈钢金属粉末，其中:不锈钢金属粉末为316L不锈钢粉末，硬质相颗粒为WC，复合涂层中各元素的含量分别为:Cr 8?9wt%，Ni 5?6wt%，Mo I?2wt%，W42 ?43wt%，C 2 ?3wt%，余量为 Fe。
2.基于权利要求1中所述的用于薄阀板的不锈钢基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤(I):利用机械球磨法将316L不锈钢粉末和WC硬质相颗粒粉末以7:3的体积比混合均勾，球磨转速为300?800r/min，球磨时间为3?36h ； 步骤(2):利用连续激光辅助冷喷涂的方法在薄阀板上沉积不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层，连续激光光斑与喷涂光斑重合；其中:连续激光的能量密度为3?5X105W/cm2，连续激光的输出功率通过闭环反馈控温模式实时调整；沉积温度依据不锈钢金属粉末的熔点来选择，并低于金属粉末的熔点，使其软化但不熔化；冷喷涂工艺参数为载气压力I?4MPa、载气预热温度350?550°C、喷涂距离20?40mm、送粉量30?60g/min、载气为压缩空气或压缩氮气中的一种。
【专利摘要】本发明涉及材料表面改性领域，具体涉及用于薄阀板的不锈钢基复合涂层专用材料及其制备方法，其中用于薄阀板的不锈钢基复合涂层专用材料是采用不锈钢金属粉末作为复合涂层粘结相，通过引入硬质相颗粒增强其耐磨性能；其中：不锈钢金属粉末为316L不锈钢粉末，硬质相颗粒为WC，复合涂层中各元素的含量分别为：Cr？8～9wt％，Ni？5～6wt％，Mo1～2wt％，W？42～43wt％，C？2～3wt％，余量为Fe。本发明涉及的不锈钢基耐磨耐蚀复合涂层是采用基于冷喷涂的方法制备的，保持了冷喷涂低温沉积的特性，从而避免了激光熔覆、热喷涂等高温沉积技术导致的涂层材料分解、氧化、相变、晶粒长大等不良现象。
【IPC分类】C23C24-08, C22C32-00, C22C38-56
【公开号】CN104561991
【申请号】CN201410833345
【发明人】姚建华, 李波, 周志勇
【申请人】瑞安市博业激光应用技术有限公司, 浙江工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日