本发明属于材料表面强化技术领域，涉及一种碳化钨基金属陶瓷粉末及涂层，尤其涉及一种高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法。
背景技术：
冲蚀磨损、汽蚀、腐蚀是导致水轮机等水力机械失效的主要形式之一，它广泛存在于水轮机、水泵等机械的过流部件中，造成水力机械效率设备运行效率低下，寿命缩短，严重影响机组的稳定性和安全运行，来巨大的资源和经济的浪费。热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层具有良好的抗冲蚀性能和一定抗汽蚀和耐腐蚀性能，但在新疆、黄河等高泥沙水流中，热喷涂碳化钨金属陶瓷涂层的抗泥沙冲蚀仍有不足，特别是抗石英砂冲蚀，经常出现碳化钨涂层爆裂现象导致涂层剥落失效。且在水力机械高速运行过程中会对碳化钨金属陶瓷涂层产生巨大的汽蚀作用而导致其无法对基材起到抗汽蚀保护。通过对失效涂层的微观分析发现，在高泥沙水流中，由于砂粒的硬度大，在含沙水流的不断冲击作用下，砂粒首先对碳化钨基涂层的粘结相造成严重的切削作用。涂层的粘结相受到冲刷粒子的微切削和犁削作用而去除，导致WC颗粒裸露在涂层表面。随着表层粘结相的逐渐减少，粘结相对表层WC颗粒的粘结作用也渐渐减弱，并在随后的粒子的冲击下产生脱落，涂层逐渐磨损。同时在泥沙的高速冲击下涂层产生裂纹，并在随后的长时间冲击作用下裂纹不断延伸并扩展，导致涂层爆裂失效。因而，无法起到长期的抗冲蚀保护作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法，以解决现有碳化钨基金属陶瓷涂层材料无法满足实际工程使用要求的问题，在兼顾良好抗腐蚀性能的同时，提高设备的抗冲蚀和抗爆裂性能。
本发明采用如下技术方案实现：
一种高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其成分组成如下：
碳化钨(WC)：30～80wt％、金属粘结剂：10～60wt％、纳米碳化物强化相：5～20wt％，所述的纳米碳化物强化相为碳化钽(TaC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)中的一种、或多种的组合。
上述技术方案中，所述的金属粘结剂为Co、Cr、Ni中的一种或两种的组合。
所述的碳化钨(WC)的颗粒度为0.5μm～8μm或50nm～200nm。
所述的纳米碳化物强化相颗粒度为20～100nm。
所述的复合粉末的颗粒尺度为10～55μm。
以该复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂该原料，可直接形成高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层；或者，由煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂该原料后，再经高焓等离子重熔成型，可获得该复合涂层。
其具体的制备工艺如下：
1)将碳化钨、金属粘结剂、纳米碳化物强化相按一定的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合20～30小时。
2)采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为1000～1250℃。烧结后进行破碎筛分得到高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末，其颗粒尺度为10～55μm。
3)将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60～100℃，烘干时间为1～2小时。
4)将碳钢或合金钢基材表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
5)以步骤3)中烘干好的复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料，直接形成高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层；或由煤油超音速火焰喷涂或大气超音速火焰喷涂或高焓等离子喷涂该原料后，再经高焓等离子重熔成型，获得高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合涂层。
本发明获得的复合涂层的孔隙率＜0.5％；复合涂层的结合强度达80MPa以上，在高泥沙水流条件下，复合涂层的冲蚀失重仅为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的3.3％～6.7％，汽蚀失重为高强不锈钢77％～67％，几乎无爆裂情况出现，且自腐蚀电位高于普通碳化钨基金属陶瓷涂层。该复合涂层在具有抗腐蚀、抗高温性能的同时，具有更加优异的抗冲蚀抗爆裂性能。
本发明的有益效果是：
本发明通过对碳化钨基粉末组分的选择及涂层制备方法的不断探究，获得了具有高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末及涂层，有效提高金属粘结相的强度和硬度，同时抑制WC在热喷涂过程中的晶粒长大，其涂层抗冲蚀性能相对普通碳化钨基金属陶瓷涂层提高了50-200％，且其韧性也有显著提高，几乎无爆裂发生，同时该涂层还保持了良好的抗腐蚀及抗汽蚀性能，此外复合涂层的制备方法工艺可靠，性能稳定，适合水轮机、水泵等抗冲蚀、抗汽蚀领域应用推广，尤其适用于高泥沙水流环境中。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做进一步说明。
本发明实施例中采用的煤油超音速火焰喷涂工艺参数：煤油流量为22～30L/h，煤油压力为1.5～2.0MPa，氧气流量为840～950L/min，氧气压力为1.7～2.0MPa,送粉速率为80～100g/min,氮气流量为10～15L/min,氮气压力为1.0～1.2MPa，喷涂距离为350mm～400mm。
本发明实施例中采用的大气超音速火焰喷涂工艺参数：丙烷压力为0.6～0.8MPa，空气压力：0.7～0.9MPa,氮气压力：0.2～0.4MPa，送粉速率为80～120g/min，喷涂距离150～220mm。
本发明实施例中采用高焓等离子重熔工艺参数：喷枪功率为80～100kW，氩气流量为250～400SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为100～150SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为90～130SCFH(立方英尺/小时)，送粉速率为80～110g/min，工作距离50～150mm。
本发明实施例中采用一种高抗冲蚀且抗爆裂的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末作为原料，其成分组成为碳化钨(WC)：30～80wt％、金属粘结剂：10～60wt％、纳米碳化物强化相：5～20wt％。所述的金属粘结剂为Co、Cr、Ni的其中一种或两种的组合。所述的纳米碳化物强化相为碳化钽(TaC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)中的一种、或二种或三种的组合。所述的碳化钨(WC)颗粒度为0.5～8μm或者50nm～200nm。所述的纳米碳化物强化相颗粒度为20～100nm；所述的复合粉末的颗粒尺度为10～55μm。
本发明实施例中喷涂基体采用45碳钢或0Cr13Ni5Mo不锈钢。
实施例1
将粒度为60～100nm的碳化钨(WC)、金属粘结剂Co、粒度为30～50nm的纳米碳化钽(TaC)按碳化钨(WC)：80wt％、金属粘结剂Co：15wt％、纳米碳化钽(TaC)：5wt％的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合20小时。
采用水雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为1100℃。烧结后进行破碎筛分得到高抗冲蚀抗爆裂的纳米碳化钽增强碳化钨-钴复合粉末。所述的复合粉末的颗粒尺度为15～45μm。
将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60℃，烘干时间为1小时。
将碳钢表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
以烘干好的复合粉末为原料，采用煤油超音速火焰喷涂该原料，喷涂工艺参数：煤油流量为25L/h，煤油压力为1.5MPa，氧气流量为865L/min，氧气压力为2.0MPa,送粉速率为85g/min,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为375mm。喷涂获得高抗冲蚀、抗爆裂的纳米碳化钽增强碳化钨-钴铬复合涂层。
该复合涂层厚度为250μm，涂层的孔隙率为0.36％，涂层的结合强度为88MPa，在高泥沙水流下，涂层的冲蚀蚀失重仅为0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的4.21％，无爆裂现象，汽蚀失重仅为高强不锈钢68.32％，涂层的自腐蚀电位为-0.1969V，高于普通碳化钨涂层(约-0.28V)。复合涂层表现出高抗冲蚀、抗爆裂性能，且具有良好抗汽蚀、抗腐蚀性能。
实施例2
将粒度为50～90nm的碳化钨(WC)、金属粘结剂Co、金属粘结剂Cr、粒度为20～50nm的纳米碳化钛(TiC)按碳化钨(WC)：70wt％、金属粘结剂Co：10wt％、金属粘结剂Cr4wt％、纳米碳化钛(TiC)：6wt％的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合25小时。
采用水雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为1150℃。烧结后进行破碎筛分得到高抗冲蚀抗爆裂的纳米碳化钛增强碳化钨-钴铬复合粉末。所述的复合粉末的颗粒尺度为10～30μm。
将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为60℃，烘干时间为1小时。
将碳钢表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
以烘干好的复合粉末为原料，采用的大气超音速火焰喷涂该原料，喷涂工艺参数：丙烷压力：0.65MPa，空气压力：0.8MPa,氮气压力：0.25MPa，送粉速率为80g/min，喷涂距离150mm。喷涂获得高抗冲蚀、抗爆裂、抗汽蚀、抗腐蚀的纳米碳化钛增强碳化钨-钴铬复合涂层。
该复合涂层厚度为235μm，涂层的孔隙率为0.30％，涂层的结合强度为84MPa，在高泥沙水流下，涂层的冲蚀蚀失重为仅0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的6.6％，几乎无爆裂现象，汽蚀失重仅为高强不锈钢76.16％，涂层的自腐蚀电位为-0.1875V，高于普通碳化钨涂层(约-0.28V)。复合涂层表现出高抗冲蚀、抗爆裂性能，且具有良好抗汽蚀、抗腐蚀性能。
实施例3
将粒度为60～120nm的碳化钨(WC)、金属粘结剂Ni、金属粘结剂Cr、20～50nm的纳米碳化钽(TaC)、粒度为50～80nm的纳米碳化钛(TiC)、20～50nm的纳米碳化锆(ZrC)按碳化钨(WC)：35wt％、金属粘结剂Ni：35wt％、金属粘结剂Cr:20wt％、纳米碳化钽(TaC):4wt％、纳米碳化钛(TiC)：2wt％、纳米碳化锆(ZrC)：4wt％的质量百分比进行配置，向配置好的配方原料添加酒精和聚乙二醇，在球磨机里进行充分混合28小时。
采用酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的原始复合粉末放入氢气保护气氛下的钼丝炉中进行烧结，烧结温度为1150℃。烧结后进行破碎筛分得到高抗冲蚀抗爆裂的复合粉末。该粉末的颗粒尺度为15～55μm。
将上述复合粉末，放在保温箱内进行烘干，保温温度为80℃，烘干时间为1.5小时。
将0Cr13Ni5Mo不锈钢表面进行清洗、除锈、烘干，并对其表面喷砂毛化，喷砂后表面粗糙度为6.3～12.0μm。
以烘干好的复合粉末为原料，采用的超音速火焰喷涂本例中的复合粉末，煤油流量为26L/h，煤油压力为1.5MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为2.0MPa,送粉速率为80g/min,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.2MPa，喷涂距离为385mm。随后采用高焓等离子重熔技术对涂层进行重熔，喷枪功率为96kW，氩气流量为358SCFH(立方英尺/小时)，氮气流量为125SCFH(立方英尺/小时)，氢气流量为198SCFH(立方英尺/小时)，重熔距离50mm。获得高抗冲蚀、抗爆裂、抗汽蚀、抗腐蚀的纳米碳化钽、碳化钛、碳化锆增强碳化钨-钴铬复合涂层。
该复合涂层厚度为250μm，涂层几乎无孔隙，涂层的结合强度为大于90MPa，在高泥沙水流下，涂层的冲蚀失重为仅0Cr13Ni5Mo高强不锈钢的6.63％，几乎无爆裂发生，汽蚀失重仅为高强不锈钢67％，涂层的自腐蚀电位为-0.1638V，高于普通碳化钨涂层(约-0.28V)。复合涂层表现出高抗冲蚀、抗爆裂性能，且具有良好抗汽蚀、抗腐蚀性能。