一种抗空蚀复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗空蚀复合涂层及其制备方法，抗空蚀复合涂层由高熵合金粉末源和0.01wt％

【技术实现步骤摘要】
一种抗空蚀复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于表面强化
，具体涉及一种抗空蚀复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]水轮机、船舶等过流部件在长期运行后普遍存在空蚀问题，其不但会破坏设施设备，产生振动和噪音，还会降低运行效率，严重影响了设备的使用性能与服役寿命。据不完全统计，我国因空化空蚀造成的经济损失达到数十亿元/年。空蚀现象可以简化为空化和气蚀的两个过程，历经空化泡形成、空化泡长大和剧烈溃灭三个阶段。空化泡溃灭后产生的高速微射流和高压冲击波，对基体材料产生强大的应力冲击效应，此外，由于电化学腐蚀、热力学作用、机械疲劳应力的附加影响，导致过流表面侵蚀损伤程度大大增加。
[0003]当前抗空蚀表面涂层材料主要包括合金材料、陶瓷材料、有机高分子材料、复合材料等，可采用热喷涂、熔覆涂敷、气相沉积和堆焊等方法制备。但是研究表明，涂层硬质相脆性失效和韧性相疲劳失效是空蚀的主要失效机制。合金涂层价格便宜，但耐腐蚀和抗空蚀性能一般；陶瓷涂层硬度高，抗空蚀性能较高，但易受孔隙率和硬质相脆性失效影响；有机高分子涂层韧性好，但与金属基体结合力不高、易出现剥落问题；部分复合材料制备复杂、成本高且效率低，较难大批量应用。
[0004]材料的抗空蚀性能不但取决于硬度，还取决于材料的韧性和刚性，一般的非应变率敏感材料能更好地承受塑性变形而具有更好的抗空蚀能力。高熵合金具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应等强化机制，强度和硬度、塑性等性能显著提升，理论上是较为理想的抗空蚀材料，但目前其在相关领域的开发应用仍较为有限。
[0005]目前抗空蚀涂层制备方法复杂繁琐，所得涂层存在强度低、脆性大、易剥落失效等问题。因此，一种结合强度高、服役寿命长、生产简便的抗空蚀涂层及其制备方法亟待开发。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术存在的抗空蚀涂层制备方法繁琐，且现有的抗空蚀涂层存在强度低、脆性大、易剥落失效的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种抗空蚀复合涂层，本专利技术还提出一种上述抗空蚀复合涂层的制备方法，本专利技术通过设计双相混合晶格结构高熵合金，采用均匀弥散第二相强化和表面强化等技术方法优化处理，获得兼具硬度高、刚度好和韧塑性佳等特性的复合强化涂层，解决当前抗空蚀涂层制备方法繁琐和要求苛刻的问题，克服现有涂层在周期疲劳交变应力下强度低、脆性大、易剥落失效的缺点。
[0007]根据本专利技术第一方面的抗空蚀复合涂层，所述抗空蚀复合涂层由高熵合金粉末源和0.01wt％
‑
50wt％的第二相强化粉末源组成的复合粉体经超音速火焰喷涂制备而成；所述高熵合金粉末源由元素Al、Ti、V以及m代表的元素和n代表的元素组成。
[0008]高熵合金粉末源中的元素Al、Ti元素可以促进高密度析出相或微小金属间化合物的形成，提高材料强度；V元素可以与其他金属元素形成固溶相，提高材料刚度和韧性，另外V与C、O、N等形成高硬度、高弥散度的细小化合物，降低涂层的杂质含量的同时起到二次硬
化作用，进一步提高了材料强度和硬度。掺加的第二相强化粉末源起到沉淀强化和弥散强化的作用，细化晶粒的同时阻碍位错运动和裂纹延伸，进一步提高涂层强度和刚度，降低材料的非应变敏感性。
[0009]本专利技术的抗空蚀复合涂层在采用高熵合金的基础上，利用弥散第二相强化粉末源等技术，获得硬度高、刚度好、韧性佳的复合抗空蚀涂层。
[0010]在一些实施例中，所述m代表的元素为Ni、Cr、Mn、Mo、Co、Zr、Cu、Fe中的一种或多种，所述n代表的元素为Nb、Hf、Ta、Re、La中的一种或多种。
[0011]在一些实施例中，所述第二相强化粉末源为BN、Si3N4、TiN、HfN、SiC、Cr3C2、WC、TiC、ZrC、HfC、Al2O3、ZrO2、La2O3、CeO2、TiO2中的一种或多种。
[0012]进一步地，第二相强化粉末源还可以是石墨烯等其他合适材料。
[0013]在一些实施例中，组成所述高熵合金粉末源的原子百分比表达式为Al
x
Ti
y
V
z
(mn)
100
‑
x
‑
y
‑
z
，通过调整所述Al、V的原子比例形成BCC和FCC双相混合晶格固溶体结构，其中，x为Al的原子数百分含量，y为Ti的原子数百分含量，z为V的原子数百分含量。
[0014]优选通过调整Al、V的原子比例形成BCC和FCC双相混合晶格固溶体结构，还可以通过调整Ti、m代表的元素、n代表的元素的原子比例形成其他双相至多相混合晶格固溶体结构，同样起到强化作用，例如HCP+BCC、HCP+FCC、HCP+BCC+FCC结构。
[0015]高熵合金元素间金属元素粉末按照摩尔比5at％
‑
35at％配比，元素间最大原子半径差小于20％，合金混合焓介于
‑
50
‑
20KJ/mol。本专利技术的高熵合金为BCC+FCC双相混合晶格固溶体结构，其中BCC相具有高强度、高硬度特性，起到微骨架支撑结构作用；FCC相韧塑性好，可填充孔隙缺陷，并紧密结合基体和黏结包覆第二相、弥散化合物，起到应力缓冲作用。
[0016]在一些实施例中，所述高熵合金粉末源的粒径为15
‑
45μm，所述第二相强化粉末源的粒径为0.001
‑
10μm，所述高熵合金粉末源和所述第二相强化粉末源的纯度均为99.95％以上。
[0017]本专利技术第二方面的抗空蚀复合涂层的制备方法：包括以下步骤：
[0018](1)粉末准备阶段：称取所述高熵合金粉末源和所述第二相强化粉末源；
[0019](2)粉末预处理阶段：所述高熵合金粉末源和所述第二相强化粉末源经气流破碎、震动过筛、三维混料机处理后获得混合均匀的所述复合粉体；
[0020](3)基体喷涂阶段：对所述基体表面进行处理，然后采用超音速火焰喷涂机对所述基体进行所述复合粉体喷涂处理，得到所述抗空蚀复合涂层，所述超音速火焰喷涂机的工艺参数：火焰温度为2000℃
‑
2500℃，丙烷流量为50
‑
100NLPM，液氧流量为150
‑
300NLPM，送粉量为20
‑
80g/min，喷涂线速度为30
‑
90m/min，压道量为1
‑
7mm。
[0021]步骤(2)中高熵合金粉末源和第二相强化粉末源经气流破碎机打散团聚颗粒后，通过90
‑
150目振动筛可筛除残余大颗粒，使粉体粒度分布和成分分布更均匀，气流破碎频率范围50
‑
80Hz/min；三维混料机的混合时间为6
‑
12h，三维混料机转速为10
‑
50r/min，以保证粉体混合均匀，无局部富集情况。
[0022]步骤(2)中超音本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗空蚀复合涂层，其特征在于，所述抗空蚀复合涂层由高熵合金粉末源和0.01wt％
‑
50wt％的第二相强化粉末源组成的复合粉体经超音速火焰喷涂制备而成；所述高熵合金粉末源由元素Al、Ti、V以及m代表的元素和n代表的元素组成。2.如权利要求1所述的抗空蚀复合涂层，其特征在于，所述m代表的元素为Ni、Cr、Mn、Mo、Co、Zr、Cu、Fe中的一种或多种，所述n代表的元素为Nb、Hf、Ta、Re、La中的一种或多种。3.如权利要求1所述的抗空蚀复合涂层，其特征在于，所述第二相强化粉末源为BN、Si3N4、TiN、HfN、SiC、Cr3C2、WC、TiC、ZrC、HfC、Al2O3、ZrO2、La2O3、CeO2、TiO2中的一种或多种。4.如权利要求1所述的抗空蚀复合涂层，其特征在于，组成所述高熵合金粉末源的原子百分比表达式为Al
x
Ti
y
V
z
(mn)
100
‑
x
‑
y
‑
z
，通过调整所述Al、V的原子比例形成BCC+FCC双相混合晶格固溶体结构，其中，x为所述Al的原子数百分含量，y为所述Ti的原子数百分含量，z为所述V的原子数百分含量。5.如权利要求1所述的抗空蚀复合涂层，其特征在于，所述高熵合金粉末源的粒径为15
‑
45μm，所述第二相强化粉末源的粒径为0.001
‑
10μm，所述高熵合金粉末源和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林海，黄弘，刘艳红，周全民，王晓婧，郑明珉，孙金华，丁学强，沈秋燕，宁峻，黄超安，
申请(专利权)人：国家电投集团江西水电检修安装工程有限公司，
类型：发明
国别省市：