一种高熵合金/陶瓷复合涂层及其制备方法

1.本发明属于涂料领域，具体涉及一种高熵合金/陶瓷复合涂层及其制备方法。


背景技术：

2.水轮机空蚀、泥沙磨损一直是困扰水轮机长寿命运行的关键技术问题。我国河流多泥沙，约有30—40％的水轮机存在泥沙磨损问题，几乎所有水轮机的设计工况外运行都存在空蚀问题。由于青铜峡水电站处于多泥沙的黄河干流上，运行环境非常恶劣，泥沙严重，空蚀也比较严重，电站水轮机在运行一段时间后，水轮机叶片表面在高含沙量水流的冲击下，出现了大面积的磨损，泥沙磨损、空蚀相互叠加，加剧了水轮机叶片的表面损坏。
3.目前国内外解决空蚀、泥沙磨损的主要技术手段主要有：优化水力设计、提高母材韧性、涂覆有机涂层、渗碳渗氮、表面喷丸纳米化、火焰喷涂等手段来提高水力装备的抗空蚀、抗磨损性能。但以上方法效果均不佳。
4.高熵合金具有独特的合金相结构、优异的性能，如高熵合金具有高强度与硬度、良好的耐磨性、良好的塑性和韧性、耐腐蚀性等优点。这为解决水力装备叶片空蚀提供了新思路。本发明结合cocrnialtinb高熵合金和wc、cr2c3陶瓷粉末特性，并且利用氧-煤油超音速喷涂制备出一种新的表面改性技术，具有孔隙低，结合力、抗空蚀、抗磨损高等优点，制备得到的高熵合金/陶瓷复合涂层在解决水力装备空蚀、磨损方面具有独特的优势。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对青铜峡水电站过流部件空蚀、泥沙磨损问题，提供一种高熵合金/陶瓷复合涂层及其制备方法，尤其是大气超音速喷涂制备涂层的方法。本发明的复合涂层具有抗空蚀、抗泥沙磨损和抗腐蚀等优点。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种高熵合金/陶瓷复合涂层，所述涂层由高熵合金/陶瓷复合粉末通过喷涂而成；所述高熵合金/陶瓷复合粉末按照质量百分比，由10～25％的高熵合金cocrnialtinb、20～35％的cr2c3和40～70％的wc组成；所述高熵合金cocrnialtinb按照原子比，co：cr：ni：al：ti：nb＝20-45：10～25：10～25：5～10：5～10：1～5。
8.进一步地，所述喷涂采用氧-煤油超音速喷涂设备。
9.本发明还提供上述高熵合金/陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
10.步骤1：将co粉末、cr粉末、ni粉末、al粉末、ti粉末、nb粉末、cr2c3和wc粉末按比例进行配置，然后通过机械混合法、喷雾干燥法或气雾化法得到高熵合金/陶瓷复合粉末；
11.步骤2：将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，进行烘干，温度为100～120℃，烘干时间为2～4小时；
12.步骤3：用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并于50～60℃烘干，除去其表面油渍污物；
13.步骤4：采用空气动力喷砂对上述喷涂基材表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选
用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6mpa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65
°
～90
°
；
14.步骤5：利用氧-煤油超音速喷涂工艺，制备高熵合金/陶瓷复合涂层。
15.进一步地，所述高熵合金/陶瓷复合粉末颗粒尺度为5～35μm。
16.进一步地，所述高熵合金/陶瓷复合涂层的厚度为0.10～0.5mm。
17.进一步地，所述氧-煤油超音速喷涂工艺的参数为：
18.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。
19.本发明解决了水轮机、泵等过流部件因空蚀、泥沙磨损问题导致涂层性能下降等问题。本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定。
20.本发明的有益效果为：
21.本发明通过对高熵合金/陶瓷复合粉末组分的选择及涂层制备方法的不断探究，利用氧-煤油超音速喷涂制备出了高熵合金/陶瓷复合涂层。
22.本发明的高熵合金/陶瓷涂层致密均匀，孔隙率在0.5％以下；显微硬度750～1250hv0.2；在相同的空蚀测试参数下，涂层抗空蚀性能是基体的5～8倍；在相同的泥沙磨损测试参数下，涂层的抗泥沙磨损性能是基体的10～17倍，耐中性盐雾腐蚀时间超过72h。
23.本发明高熵合金/陶瓷复合涂层的制备方法工艺可靠，性能稳定。
具体实施方式
24.为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.本发明实施例中喷涂基体可采用zg06cr13ni5mo钢、zg06cr16ni5mo钢、zg0cr13ni4mo钢、zg0cr16ni5mo钢等。
26.实施例1
27.(1)将co粉末、cr粉末、ni粉末、al粉末、ti粉末、nb粉末、cr2c3、wc粉末按所述比例进行配置；具体比例如下：cocrnialtinb、cr2c3和wc混合物中，cr2c3质量百分比为20％，wc质量百分比为65％，cocrnialtinb质量百分比为15％；在cocrnialtinb粉末中：co的原子百分比为45％；cr的原子百分比为20％；ni的原子百分比为20％；al的原子百分比为7％；ti的原子百分比为5％；nb的原子百分比为3％；将配置好的粉末通过机械混合法制备得到高熵合金/陶瓷复合粉末；
28.(2)将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为3小时；
29.(3)用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内50℃烘干，除去其表面油渍污物；
30.(4)采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用24目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.6mpa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65
°
～90
°
；
31.(5)利用氧-煤油超音速喷涂工艺制备高熵合金/陶瓷复合涂层，其中氧-煤油超音速喷涂工艺的参数为：煤油流量为26l/h，煤油压力为1.8mpa，氧气流量为880l/min，氧气压力为1.9mpa，送粉速率为85g/min，氮气流量为12l/min，氮气压力为1.2mpa，喷涂距离为365mm。
32.(6)制备的高熵合金/陶瓷复合涂层厚度为0.32mm，涂层的孔隙率0.37％，显微硬度1164hv
0.2
；基体与涂层结合强度在77mpa；在相同的空蚀条件下，涂层的抗空蚀性能是基体zg06cr13ni5mo不锈钢的6.57倍(涂层的空蚀失重是：0.00081g，基体zg06cr13ni5mo不锈钢的空蚀失重是：0.00532g)；抗泥沙磨损性能是基体zg06cr13ni5mo不锈钢的13.5倍(涂层的泥沙磨损失重是：0.01329g，基体zg06cr13ni5mo不锈钢的泥沙磨损失重是：0.17948g)；耐中性盐雾腐蚀时间超过72h。
33.实施例2
34.(1)将co粉末、cr粉末、ni粉末、al粉末、ti粉末、nb粉末、cr2c3、wc粉末按所述比例进行配置；具体比例如下：cocrnialtinb、cr2c3和wc混合物中，cr2c3质量百分比为20％，wc质量百分比为60％，cocrnialtinb质量百分比为20％；cocrnialtinb中：co的原子百分比为41％；cr的原子百分比为25％；ni的原子百分比为18％；al的原子百分比为7％；ti的原子百分比为5％；nb的原子百分比为4％；将配置好的粉末通过喷雾干燥法制备得到高熵合金/陶瓷复合粉末；
35.(2)将高熵合金/陶瓷复合粉末粉末分开放置平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为120℃，烘干时间为2小时；
36.(3)用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内60℃烘干，除去其表面油渍污物；
37.(4)采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.5mpa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65
°
～90
°
；
38.(5)利用氧-煤油超音速喷涂工艺制备高熵合金/陶瓷复合涂层，其中氧-煤油超音速喷涂工艺的参数为：煤油流量为24l/h，煤油压力为1.7mpa，氧气流量为860l/min，氧气压力为1.7mpa，送粉速率为85g/min，氮气流量为12l/min,氮气压力为1.1mpa，喷涂距离为380mm。
39.(6)制备的高熵合金/陶瓷复合涂层厚度为0.28mm，涂层的孔隙率0.43％，显微硬度1207hv
0.2
；基体与涂层结合强度在79mpa；在相同的空蚀条件下，涂层的抗空蚀性能是基体zg06cr13ni5mo不锈钢的5.48倍(涂层的空蚀失重是：0.00097g，基体zg06cr13ni5mo不锈钢的空蚀失重是：0.00532g)；抗泥沙磨损性能是基体zg06cr13ni5mo不锈钢的14.1倍(涂层的泥沙磨损失重是：0.01277g，基体zg06cr13ni5mo不锈钢的泥沙磨损失重是：0.17948g)；耐中性盐雾腐蚀时间超过72h。
40.实施例3
41.(1)将co粉末、cr粉末、ni粉末、al粉末、ti粉末、nb粉末、cr2c3、wc粉末按所述比例进行配置；具体比例如下：cocrnialtinb、cr2c3和wc混合物中，cr2c3质量百分比为25％，wc质量百分比为60％，cocrnialtinb质量百分比为15％；cocrnialtinb中：co的原子百分比为42％；cr的原子百分比为21％；ni的原子百分比为20％；al的原子百分比为6％；ti的原子百
分比为8％；nb的原子百分比为3％。
42.(2)将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为1.5小时；
43.(3)用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内60℃烘干，除去其表面油渍污物；
44.(4)采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6mpa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65
°
～90
°
；
45.(5)利用氧-煤油超音速喷涂工艺制备高熵合金/陶瓷复合涂层，其中氧-煤油超音速喷涂工艺的参数为：煤油流量为26l/h，煤油压力为1.8mpa，氧气流量为880l/min，氧气压力为1.8mpa,送粉速率为90g/min,氮气流量为13l/min,氮气压力为1.2mpa，喷涂距离为370mm；
46.(6)制备的高熵合金/陶瓷复合涂涂层厚度为0.38mm，涂层的孔隙率0.47％，显微硬度1255hv
0.2
；基体与涂层结合强度在82mpa；在相同的空蚀条件下，涂层的抗空蚀性能是基体zg06cr13ni5mo不锈钢的7.39倍(涂层的空蚀失重是：0.00072g，基体zg06cr13ni5mo不锈钢的空蚀失重是：0.00532g)；抗泥沙磨损性能是基体zg06cr13ni5mo不锈钢的13.87倍(涂层的泥沙磨损失重是：0.01294g，基体zg06cr13ni5mo不锈钢的泥沙磨损失重是：0.17948g)；耐中性盐雾腐蚀时间超过72h。
47.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

技术特征：
1.一种高熵合金/陶瓷复合涂层，其特征在于，所述涂层由高熵合金/陶瓷复合粉末通过喷涂而成；所述高熵合金/陶瓷复合粉末按照质量百分比，由10～25％的高熵合金cocrnialtinb、20～35％的cr2c3和40～70％的wc组成；所述高熵合金cocrnialtinb按照原子比，co：cr：ni：al：ti：nb＝20-45：10～25：10～25：5～10：5～10：1～5。2.根据权利要求1所述的高熵合金/陶瓷复合涂层，其特征在于，所述喷涂采用氧-煤油超音速喷涂设备。3.一种如权利要求1或2所述的高熵合金/陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将co粉末、cr粉末、ni粉末、al粉末、ti粉末、nb粉末、cr2c3和wc粉末按比例进行配置，然后通过机械混合法、喷雾干燥法或气雾化法得到高熵合金/陶瓷复合粉末；步骤2：将高熵合金/陶瓷复合粉末分开放置平铺，进行烘干，温度为100～120℃，烘干时间为2～4小时；步骤3：用丙酮或酒精将喷涂基材表面清洗干净，并于50～60℃烘干，除去其表面油渍污物；步骤4：采用空气动力喷砂工艺对上述喷涂基材表面进行除锈和毛化处理；步骤5：利用氧-煤油超音速喷涂工艺，制备高熵合金/陶瓷复合涂层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高熵合金/陶瓷复合粉末颗粒尺度为5～35μm。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高熵合金/陶瓷复合涂层的厚度为0.10～0.5mm。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂工艺选用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6mpa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65
°
～90
°
。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氧-煤油超音速喷涂工艺的参数为：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。

技术总结
本发明公开了一种高熵合金/陶瓷复合涂层及其制备方法。所述涂层由高熵合金/陶瓷复合粉末通过喷涂而成；所述高熵合金/陶瓷复合粉末按照质量百分比，由10～25％的高熵合金CoCrNiAlTiNb、20～35％的Cr2C3和40～70％的WC组成；所述高熵合金CoCrNiAlTiNb按照原子比，Co：Cr：Ni：Al：Ti：Nb＝20-45：10～25：10～25：5～10：5～10：1～5。本发明的复合涂层具有孔隙低，结合力强、抗空蚀、抗磨损、抗腐蚀等优点，在解决水力装备空蚀、磨损方面具有独特的优势。优势。


技术研发人员：杨永福 惠希东 马怀立 吴一栋 桑杰才让 伏利 石玉成 陈小明 赵永军 刘琎 陈光文
受保护的技术使用者：水利部产品质量标准研究所 北京科技大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/10/19