一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层及其制备方法，属于表面工程领域。本发明专利技术提供了一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，在金属基体表面依次制备包括Cr

A wear-resistant composite protective coating for hard sealing surface of ball valve and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层及其制备方法
本专利技术涉及表面工程
，尤其涉及一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层及其制备方法。
技术介绍
球阀硬密封面常服役于高温、磨损、腐蚀-磨损等苛刻工况，热喷涂Cr3C2-NiCr涂层因具有优异的耐高温、耐腐蚀及抗磨损性能被广泛用作球阀硬密封材料。但因该类涂层摩擦系数高、孔隙率大，在球阀启/闭过程中易咬死、脱落，产生严重腐蚀磨损，导致阀门泄露，严重威胁生产安全。近年来，物理气相沉积(PVD)技术已逐渐用于球阀硬密封材料领域。在众多无机防护薄膜中，利用PVD技术制备的非晶碳基薄膜以其优异的机械性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能在该领域具有广阔的应用前景。尤其该类薄膜具有良好的化学稳定性及高的电阻率，在酸、碱腐蚀介质中表现出极高的化学惰性，同时能够大幅提升基底材料的减摩抗磨性能。然而，当接触应力较高时由于基底变形导致薄膜开裂和剥落，薄膜承载能力不足；碳基薄膜脆性高、韧性差，强韧性需进一步改善，这很大程度上限制了碳基薄膜在耐磨蚀球阀硬密封面上的广泛应用。将兼具金属高韧性和陶瓷高硬度的金属陶瓷涂层Cr3C2-NiCr制备在金属基底表面作为硬质脆性薄膜的衬底材料，一方面金属陶瓷涂层能最大限度地实现材料属性从软质基底到硬质薄膜的平缓过渡，避免承载过程中出现应力集中，另一方面高强韧且较厚的(100～300μm)金属陶瓷涂层作为支撑层可保护基底在高载条件下不至变形，从而大幅提升了软质金属表面硬质脆性薄膜的承载能力。但是现有技术中的复合防护涂层仍存在耐磨蚀性能不佳、使用寿命短的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层及其制备方法。本专利技术以Cr3C2-NiCr涂层与WC/a-C纳米多层膜为对象，构筑了复合防护体系，提高了球阀硬密封面的耐磨蚀性能和使用寿命。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，在金属基体表面依次包括Cr3C2-NiCr涂层、Cr→Cr/C/WC双模式过渡层和WC/a-C纳米多层膜。优选地，所述Cr3C2-NiCr涂层的厚度为200～300μm。优选地，所述Cr→Cr/C/WC双模式过渡层的厚度为300～350nm。优选地，所述WC/a-C纳米多层膜的厚度为3.0～4.0μm。优选地，所述WC/a-C纳米多层膜的调制周期(调制周期为a-C单层和WC单层厚度之和)小于10nm。优选地，所述WC/a-C纳米多层膜的WC:a-C调制比为1～2。本专利技术还提供了上述技术方案所述球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层的制备方法，包括以下步骤：在金属基体表面进行超音速火焰喷涂，得到Cr3C2-NiCr涂层；以Cr靶、WC靶和C靶为溅射靶材，在所述Cr3C2-NiCr涂层的表面进行闭合场非平衡磁控溅射，得到Cr→Cr/C/WC双模式过渡层；利用C靶和WC靶，在所述Cr→Cr/C/WC双模式过渡层的表面进行非平衡磁控溅射沉积，得到WC/a-C纳米多层膜。优选地，所述超音速火焰喷涂的氧气流量为180～200L·min-1，丙烷流量为17～20L·min-1，送粉速率为40～45g·min-1，喷涂距离为160～200mm。优选地，所述闭合场非平衡磁控溅射的偏压为-50～-70V，背景真空为2×10-4～5×10-4Pa，Cr靶靶功率为在900W保持10min后在30min内Cr靶靶功率线性降为0W，C靶靶功率为由0W线性增加至2.3kW，WC靶靶功率为由0W线性增加至280W，样品转架转速为2～3rpm。优选地，所述非平衡磁控溅射沉积的偏压为-50～-70V，C靶和WC靶相对放置，C靶靶功率为2.1～2.3kW，WC靶靶功率为240～280W，样品转架转速为0.5～5rpm。本专利技术提供了一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，在金属基体表面依次包括Cr3C2-NiCr涂层、Cr→Cr/C/WC双模式过渡层和WC/a-C纳米多层膜。本专利技术提供的耐磨蚀复合防护涂层具有更低的摩擦系数、超低内应力、高的承载能力和优异的耐磨蚀性能，适合作为球阀硬密封面耐磨蚀防护材料，可显著提高耐磨蚀性，延长使用寿命，从而达到降低成本、提高安全与可靠性的目的。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术以Cr3C2-NiCr涂层与WC/a-C纳米多层膜为对象构筑复合防护体系，可实现硬质耐磨涂层和润滑耐蚀薄膜的性能优势协同。⑴Cr→Cr/C/WC双模式过渡层仅仅是一层过渡层，在Cr3C2-NiCr涂层表面设置WC/a-C纳米多层膜，不仅可以有效降低摩擦系数、提升抗磨损性能，还可以起到表面封孔作用。⑵本专利技术的多层结构设计不仅能同步获得高硬度与高韧性，还能有效抑制薄膜中柱状结构的形成，使薄膜结构更加致密，呈完全无序态，从而有效避免碳基薄膜在腐蚀介质中由针孔和柱状边界作为腐蚀通道引起的过渡层或基底点蚀，显著提高了耐腐蚀性能，从而改善了整个硬密封构件在腐蚀磨损工况下的服役性能。⑶将兼具金属高韧性与陶瓷高硬度的Cr3C2-NiCr涂层引入碳基薄膜底部作为硬质支撑层，不仅从根本摆脱了薄膜承载能力对基底刚度的依赖，还能满足材料属性从金属基底到碳基薄膜梯度过渡的要求，避免了承载过程中出现应力集中，同时解决了薄膜与球阀基材间物理性能的失配问题，而且高硬度高模量的硬质中间层可减缓碳基薄膜在摩擦过程中因石墨化导致的软化问题，进一步改善薄膜的耐磨损性能，延长构件的服役寿命。⑷Cr3C2-NiCr涂层、Cr→Cr/C/WC双模式过渡层和WC/a-C纳米多层膜的复合结构设计允许表层薄膜出现局部磨穿而系统持续工作的情况，确保了球阀在极端工况下仍能正常服役。2、本专利技术的复合涂层具有较高的承载力和超低内应力。由图3可以看出，通过划痕形貌可以看出，Cr3C2-NiCr与WC/a-C复合涂层表现出优异的承载能力。在加载速率为49N/min，终止载荷为50N，划痕长度为3mm条件下经划痕测试，Cr3C2-NiCr与WC/a-C复合涂层的膜-基结合强度为47.5N。同时本专利技术复合涂层中WC/a-C纳米多层膜的内应力低至-0.8GPa.3、本专利技术的复合涂层具有更好的耐磨蚀性能。在赫兹接触应力约为1.5GPa、往复频率为5Hz、往复行程为5cm的条件下，对不同体系进行3.5wt.％NaCl溶液中的摩擦学行为测试，结果如图7所示。对单一WC/a-C纳米多层膜而言，其摩擦系数曲线起伏较大；而Cr3C2-NiCr与WC/a-C复合涂层的摩擦系数曲线比较平滑，且在1200s以后摩擦系数开始下降并逐渐趋于稳定，基本稳定在0.05左右。同时通过图7可以直观看出，在经过较长时间往复摩擦后，单一WC/a-C纳米多层膜被磨穿并产生了很深的犁沟，而Cr3C2-NiCr与WC/a-C复合复合涂层表面未产生深犁沟，也无磨穿迹象，耐磨蚀性能提高近10倍。进一步地，本专利技术通过超音速火焰喷涂(HVOF)技术和闭合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，其特征在于，在金属基体表面依次包括Cr

【技术特征摘要】
1.一种球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，其特征在于，在金属基体表面依次包括Cr3C2-NiCr涂层、Cr→Cr/C/WC双模式过渡层和WC/a-C纳米多层膜。


2.根据权利要求1所述的球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，其特征在于，所述Cr3C2-NiCr涂层的厚度为200～300μm。


3.根据权利要求1所述的球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，其特征在于，所述Cr→Cr/C/WC双模式过渡层的厚度为300～350nm。


4.根据权利要求1所述的球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，其特征在于，所述WC/a-C纳米多层膜的厚度为3.0～4.0μm。


5.根据权利要求1或4所述的球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层，其特征在于，所述WC/a-C纳米多层膜的调制周期小于10nm。


6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述WC/a-C纳米多层膜的WC:a-C调制比为1～2。


7.权利要求1～6任一项所述球阀硬密封面耐磨蚀复合防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在金属基体表面进行超音速火焰喷涂，得到Cr3C2-NiCr涂层；

【专利技术属性】
技术研发人员：何东青，李文生，汤鹏君，武彦荣，邱晓来，翟海民，成波，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62