一种应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层、制备方法及阀体技术

本发明专利技术提供了一种应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层、制备方法及阀体，在阀体表面引入Si掺杂W

【技术实现步骤摘要】
一种应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层、制备方法及阀体
本专利技术涉及表面工程
，具体属于表面强化处理
，为一种应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层、制备方法及阀体。
技术介绍
阀体作为阀门的主要零件，其耐压、耐磨及耐腐蚀等性能对阀门的质量起到至关重要的作用。现行的阀体使用的材料种类繁多，其中高品质的工具钢、不锈钢及铝合金得因其耐磨和耐腐蚀而到了广泛的应用，不锈钢材质的阀体是当前市售阀门的主流产品。普通阀门在强腐蚀、有毒有害的工艺条件下，往往密封性能差，易泄漏，壳体易穿孔，使用寿命短，不能满足长期有效输送有毒介质的特殊要求。因此，探索和发展高耐磨耐腐的阀体材料与工艺是获得高质量或特种需求的阀门重要保障。近年来，高硬度、高耐磨的涂层材料被广泛应用于基体材料的镀膜，从而进一步增强基体的性能，如二维材料、陶瓷及高熵合金等通过热喷涂、离子喷涂和激光熔覆等技术在基材表面形成复合涂层。Hong等人报道了一种层状2D结构的MoSi2N4薄膜的制备方法(Science369,670–674(2020))，其力学性能与稳定性要优于传统的二维陶瓷材料，为设计超高硬度、高耐磨复合涂层提供了全新思路。此外，高熵合金因其高强度、高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性而被广泛应用于金属涂层与薄膜，其制备方法与喷涂技术得到了长足的发展，中国专利技术专利申请CN111593248A、CN111549344A、CN111364040A及CN111593339A提供了高熵合金合成方法及多层涂层制备工艺，为设计和发展二维陶瓷材料与高熵合金的复合涂层提供的理论依据和技术保障，这些对阀体材料性能的提升具有极大的潜力。
技术实现思路
基于现有技术，本专利技术提供一种成本低廉、工艺简单及产率高的应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层，其制备方法以及具有该复合涂层的阀体。在阀体表面引入Si掺杂W2N层或Si掺杂的Mo2N层、WC和高熵合金AlMoCrFeNi的多层复合涂层，以提高其表面的硬度和耐磨性能。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层，其特征在于，包括黏附于阀体表面、且交替层叠的Si掺杂的W2N层或Si掺杂的Mo2N层、WC-AlMoCrFeNi复合层，所述WC-AlMoCrFeNi复合层为分散有WC颗粒的AlMoCrFeNi层，其中WC颗粒的质量百分含量为5-10％，其粒径为100-200目，余量为AlMoCrFeNi。进一步地，所述高熵合金AlMoCrFeNi中各元素的含量以原子百分含量计为：Al:18-22％，Cr:18-22％，Mo:18-22％，Fe:18-22％，Ni:18-22％，其粒径为50-100目。进一步地，包括如下步骤：(1)将阀体基材进行磨光、除油、酸洗、喷砂处理；(2)采用激光熔覆技术将W、Si粉末或Mo与Si的混合粉末在经步骤(1)处理后的阀体基材表面熔覆，熔覆后置于马弗炉中在700-850℃、惰性气体保护下保温15-30min，自然冷却至室温；再转入管式炉中于1000-1200℃、N2与NH3混合气体气氛下保温1-3h，得到Si掺杂的W2N层或Si掺杂的Mo2N层；(3)将Al、Cr、Mo、Fe、Ni以近等摩尔比混合，得到多元混合粉末，在多元混合粉末内添加与WC颗粒进行球磨混合，得到含有WC的多元混合粉末；(4)采用大气等离子喷涂技术将步骤(3)中制备的多元混合粉末喷涂在Si掺杂的W2N层或Si掺杂的Mo2N层表面，制备WC-AlMoCrFeNi复合层；离子喷涂后置于马弗炉中在350-500℃、惰性气体保护下保温15-30min，自然冷却至室温。进一步地，还包括步骤(5)：重复步骤(2)-(4)一次或多次，到多层层叠的复合涂层。进一步地，步骤(1)的具体工艺如下：磨光：采用100目—2000目砂纸逐级打磨至试样表面光亮、平整；除油：将阀体基材置于酒精或丙酮中超声清洗除油；酸洗：采用含5％氢氟酸、40％硝酸和55％去离子水的溶液去除基材表面的划痕与硬化层；喷砂：喷砂磨料为棕刚玉，粒度为60-100目，喷砂时间为5-10s、喷砂距离30-60mm、气压0.5-1MPa。进一步地，阀体材料为20Cr、45钢或GCr15；所述步骤(3)中多元混合粉末的球磨参数为：在转速60-120rpm下混合1-2h；保护气体为氮气或氩气。进一步地，步骤(2)制备的Si掺杂的W2N涂层或Si掺杂的Mo2N层的厚度为50～150μm；步骤(4)制备的WC-AlMoCrFeNi复合层的厚度为40～100μm。进一步地，步骤(2)中所述激光熔覆条件为：激光功率为1.5-2kW，保护气体为氩气，其流量为100-150mL/min，钨源为金属钨，硅源为单质硅，送粉方式为同轴送粉，离焦量为45-50mm，光斑尺寸为4-5mm，扫描速度为15-20mm/s，搭接率为50-75％，送粉量为20g/min；管式炉保温温度为1000-1200℃，保温时间3-5h。进一步地，步骤(4)中，所述大气等离子喷涂时，所用燃气为丙烷，助燃气为氧气，送粉气为氮气，燃气气体流量为20-80mL/min，助燃气气体流量为200-400mL/min，送粉气气体流量为20-80mL/min。具有所述的应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层的阀体。本专利技术所制备的高硬度、高耐磨复合涂层，利用二维陶瓷材料与高熵合金的高强度、高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性，在阀体表面引入Si掺杂W2N、WC和新型的高熵合金AlMoCrFeNi的多层复合涂层，在传统的W2N涂层、高熵合金涂层中分别掺杂了Si、WC，通过掺杂的方式进一步提高了两种涂层的硬度和韧性，从而提升耐磨性能。同时本专利技术所述涂层的制备方法，是采用激光熔覆的方式将单质硅与钨的混合粉末熔覆到基体表面，再以NH3作为氮源与熔覆的混合层中的W反应生成W2N，该制备过程使得硅在W2N中分散的更加均匀，不存在偏聚、分布不均匀的情况，提高了掺杂强化的效果。在WC-AlMoCrFeNi复合层的制备过程中，通过等离子喷涂的方式将两者的混合微末喷涂到硅掺杂的W2N层上，不仅提高了两个涂层见的结合强度，而且也能够使WC在高熵合金中的分布更加均匀。该复合涂层结合了高温陶瓷与高熵合金的优点，因而具有高硬度和高耐磨性，且适于制备结构致密、均匀且具有高的硬度，高强度，高韧性，高耐磨性以及好的耐腐蚀性能的涂层。本专利技术通过简单的涂层涂覆工艺在阀体表面形成了多层薄膜结构，其硬度及摩擦性能得到了有效的提升，较传统阀体提升了约10％，具有广泛实际应用前景。另外，本专利技术制备过程，所有试剂均为商业产品，不需要再制备，工艺简单，成本低廉，生产工艺简单易控，产物差率高，适合大规模的工业生产。所制备的复合涂层的硬度和耐磨性能得到了大幅提升。附图说明图1为实施例1所制备的Si掺杂的W2N的TEM图。图2为实施例1所制备的WC-AlMoCrFeNi复合层的金相图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层，其特征在于，包括黏附于阀体表面、且交替层叠的Si掺杂的W

【技术特征摘要】
1.应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层，其特征在于，包括黏附于阀体表面、且交替层叠的Si掺杂的W2N层或Si掺杂的Mo2N层、WC-AlMoCrFeNi复合层，所述WC-AlMoCrFeNi复合层为分散有WC颗粒的AlMoCrFeNi层，其中WC颗粒的质量百分含量为5-10％，其粒径为100-200目，余量为AlMoCrFeNi。


2.根据权利要求1所述的应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层，其特征在于，所述高熵合金AlMoCrFeNi中各元素的含量以原子百分含量计为：Al:18-22％，Cr:18-22％，Mo:18-22％，Fe:18-22％，Ni:18-22％，其粒径为50-100目。


3.根据权利要求1所述的应用于阀体表面的高硬度、高耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将阀体基材进行磨光、除油、酸洗、喷砂处理；
(2)采用激光熔覆技术将W与Si的混合粉末或Mo与Si的混合粉末熔覆在经步骤(1)处理后的阀体基材表面，熔覆后置于马弗炉中在700-850℃、惰性气体保护下保温15-30min，自然冷却至室温；再转入管式炉中于1000-1200℃、N2与NH3混合气体气氛下保温1-3h，得到Si掺杂的W2N层或Si掺杂的Mo2N层；
(3)将Al、Cr、Mo、Fe、Ni以近等摩尔比混合，得到多元混合粉末，在多元混合粉末内添加与WC颗粒进行球磨混合，得到含有WC的多元混合粉末；
(4)采用大气等离子喷涂技术将步骤(3)中制备的多元混合粉末喷涂在Si掺杂的W2N层或Si掺杂的Mo2N层表面，制备WC-AlMoCrFeNi复合层；离子喷涂后置于马弗炉中在350-500℃、惰性气体保护下保温15-30min，自然冷却至室温。


4.根据权利要求3所述的高硬度、高耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，还包括步骤(5)：重复步骤(2)-(4)一次或多次，到多层层叠的复合涂层。

【专利技术属性】
技术研发人员：郑刚，唐华，付永忠，叶兴海，潘天红，滕成龙，杨龙祥，刘振，朱鑫达，赵荣河，邵玲，
申请(专利权)人：镇江四联机电科技有限公司，合肥万丰液压科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32