本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
磨損是金屬零件失效的三種主要原因(磨損、腐蝕和疲勞)之一。它所造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的，如美國1981年公布的數(shù)字，每年由于磨損而造成的損失高達(dá)1000億美元。其中材料消耗約為200億美元，相當(dāng)于材料年產(chǎn)量的7％。由于材料耐磨性較差，我國大量基礎(chǔ)零件的損失壽命普遍大幅度低于國外先進(jìn)產(chǎn)品的水平，因此直接及間接的經(jīng)濟(jì)損失也是十分驚人的。
僅就冶金礦山、農(nóng)機(jī)、煤炭、電力、和建材五個(gè)工業(yè)部門不完全的統(tǒng)計(jì)，每年僅由于磨料磨損而需要補(bǔ)充的備件就達(dá)100萬噸鋼材，相當(dāng)于15～20億人民幣。又如機(jī)械工業(yè)每年所用的鋼材，約有一半是消耗在備件的生產(chǎn)上，而備件中的大部分是由于磨損壽命不高而失效的，如約40％的農(nóng)機(jī)具備件是由于磨料磨損消耗的，約30％的鍋爐鋼管是由于腐蝕磨損失效的。
在冶金礦山生產(chǎn)中，機(jī)械的工況和使用環(huán)境十分惡劣，磨損失效是機(jī)械失效的主要原因。以液漿泵為例，它是用來抽取的洗礦后剩下的尾礦砂泥漿，泥漿中含有部分硬度較髙的精礦砂、沙礫以及較大的石塊，而且其中還含有硫等腐蝕性的物質(zhì)，加之運(yùn)送泥漿時(shí)需要較高的壓頭，因此泵中流體的速度很高。具有較大的沖擊力。這些工況條件決定了渣漿泵在使用時(shí)即要能承受多種形式的磨損，又要有很高的機(jī)械韌性和強(qiáng)度，因而對(duì)泵過流部件的材質(zhì)提出了很高的要求。然而單一材料的性能很難滿足這種即要有很高的機(jī)械強(qiáng)度，又要有能耐磨、耐腐的要求。
熱噴涂工藝及復(fù)合材料的產(chǎn)生，為解決這個(gè)問題開辟了一片新的前景。例如，將耐磨陶瓷材料噴涂在耐沖擊的金屬材料上，將兩種材料取長補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以滿足機(jī)械設(shè)備日益提高的機(jī)械負(fù)荷和對(duì)抗磨損性的苛刻要求。
熱噴涂復(fù)合耐磨涂層能否成功的關(guān)鍵在于耐磨性，然而噴涂材料與涂層的性質(zhì)有很大的差異，所以，只能根據(jù)噴涂材料既有性質(zhì)進(jìn)行選材，至于耐磨涂層的耐磨性需要大量的性能試驗(yàn)驗(yàn)證。耐磨涂層質(zhì)量除了與噴涂材料有關(guān)，還受到噴涂工藝與涂層結(jié)構(gòu)的影響，這涉及涂層的結(jié)合強(qiáng)度和殘余熱應(yīng)力，高結(jié)合強(qiáng)度與低殘余熱應(yīng)力是熱噴涂工藝的最終目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種梯度復(fù)合耐磨涂層的制備方法，所述復(fù)合涂層能夠提高基體的耐磨性能。
為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種梯度復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將基材表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
(2)分別用丙酮和乙醇洗滌基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大氣等離子噴涂設(shè)備，對(duì)所述基材表面進(jìn)行等離子噴涂NiCrBSi過渡層，所述過渡層厚度為0.1-0.3mm；
(4)在過渡層上采用大氣等離子噴涂Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4混合粉末，得到Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層，所述梯度復(fù)合耐磨涂層厚度為0.2-0.6mm。
本發(fā)明所述的Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4混合粉末，其為納米級(jí)，以10-3:0.5-2:0.5-2:1的重量比混合。
本發(fā)明的所述大氣等離子噴涂設(shè)備，是本領(lǐng)域的已知技術(shù)，其工藝條件的確定，可以根據(jù)本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，或者有限次試驗(yàn)進(jìn)行確定，本發(fā)明不再就其進(jìn)行限定。
大氣等離子噴涂是所有的熱噴涂工藝中靈活性最強(qiáng)的一個(gè)，它可以產(chǎn)生足夠的能量熔化任何材料。噴涂方式可分為大氣等離子、大氣保護(hù)等離子、真空等離子和水穩(wěn)等離子噴涂等。噴涂設(shè)備主要由噴槍、送粉器、直流電源、控制系統(tǒng)、熱交換器和管路系統(tǒng)組成。由于等離子噴涂使用粉末作為涂層原料，在等離子噴涂工藝中可以使用的涂層材料的數(shù)量幾乎是無限的。在陽極(噴嘴)和陰極(電極)之間點(diǎn)燃高頻電弧，在其間流動(dòng)的工藝氣體(通常為氬氣、氮?dú)?、氫氣和氦氣的混合?被離子化為熱等離子氣體的羽流，從而超過太陽表面6,600℃至16,600℃的溫度。當(dāng)涂層材料被注入到氣體羽流后，材料被熔化并被射向靶基體。
使用的工藝氣體與電極上施加的電流共同控制工藝產(chǎn)生的能量。由于可以對(duì)每種氣體和所用電流進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，所以涂層結(jié)果可以重復(fù)和預(yù)測(cè)。同時(shí)，材料被射入羽流的地點(diǎn)和角度以及噴槍到靶的距離也可被控制，從而能高度靈活地產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)牟牧蠂娡繀?shù)，擴(kuò)大熔化的溫度范圍。
等離子噴槍與靶部件的距離、噴槍和部件的相對(duì)速度以及部件冷卻(通常借助集中在靶基體的空氣噴射的幫助)，一般將部件的噴涂溫度控制在38℃至260℃。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的基材為渣漿泵的葉輪或殼體。即：
相較于其他的粘結(jié)底層，本發(fā)明采用NiCrBSi作為粘結(jié)底層，其起到了降低熱處理溫度、改善基體與工作層連接性質(zhì)的作用，實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合。
本發(fā)明所述的NiCrBSi，其各成分之間比例不做特定限定，各個(gè)成分只要達(dá)到有效量即可。例如，其含量為Cr 14-18wt％、B 3-4.5wt％、Si 3.5-5.5wt％，Ni余量。
本發(fā)明采用Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4聯(lián)用，并在基底表面和所述梯度復(fù)合涂層之間設(shè)置NiCrBSi中間涂層，使得涂層耐磨耐腐蝕，且與結(jié)合力強(qiáng)。SiC由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；同時(shí)其耐熱，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石(10級(jí))，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。其不僅耐磨性能出色，同時(shí)具有極強(qiáng)的防腐蝕性能。
本發(fā)明采用大氣等離子噴涂工藝，相較于其他熱噴涂工藝，特別適合用于本發(fā)明的渣漿泵葉輪和殼體等不規(guī)則部件，且所述工藝與本發(fā)明的特定材料配合，得到的涂層堅(jiān)固牢靠，耐腐蝕耐磨。
將本發(fā)明得到的梯度復(fù)合耐磨涂層基體置于水沙混合物中，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)，經(jīng)過24小時(shí)后，稱重，并與磨損前的重量進(jìn)行比較，磨損損失率低于0.01％，說明本發(fā)明制備得到的復(fù)合涂層耐磨且與基體結(jié)合緊密牢固。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實(shí)施例1
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將基材表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
(2)分別用丙酮和乙醇洗滌基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大氣等離子噴涂設(shè)備，對(duì)所述基材表面進(jìn)行等離子噴涂NiCrBSi過渡層，所述過渡層厚度為0.1mm；
(4)在過渡層上采用大氣等離子噴涂Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4混合粉末，比例為10:0.5:2:1，得到Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層，所述梯度復(fù)合耐磨涂層厚度為0.2mm。
實(shí)施例2
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將基材表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
(2)分別用丙酮和乙醇洗滌基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大氣等離子噴涂設(shè)備，對(duì)所述基材表面進(jìn)行等離子噴涂NiCrBSi過渡層，所述過渡層厚度為0.3mm；
(4)在過渡層上采用大氣等離子噴涂Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4混合粉末，比例為10:2:0.5:1，得到Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層，所述梯度復(fù)合耐磨涂層厚度為0.6mm。
實(shí)施例3
一種渣漿泵的葉輪或殼體Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層的制備方法，其包括：
(1)將基材表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
(2)分別用丙酮和乙醇洗滌基材表面，并在100-160℃下干燥；
(3)采用大氣等離子噴涂設(shè)備，對(duì)所述基材表面進(jìn)行等離子噴涂NiCrBSi過渡層，所述過渡層厚度為0.2mm；
(4)在過渡層上采用大氣等離子噴涂Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4混合粉末，比例為5:1:1:1，得到Al2O3-TiO2-Cr2O3-Si3N4梯度復(fù)合耐磨涂層，所述梯度復(fù)合耐磨涂層厚度為0.4mm。
將實(shí)施例1-3得到的梯度復(fù)合耐磨涂層基體置于水沙混合物中，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)，經(jīng)過24小時(shí)后，稱重，并與磨損前的重量進(jìn)行比較，磨損損失率低于0.01％，說明實(shí)施例1-3制備得到的復(fù)合涂層耐磨且與基體結(jié)合緊密牢固。