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
阅读说明：本技术 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 (High-hardness and high-wear-resistance composite coating applied to surface of valve body, preparation method and valve body ) 是由 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 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明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-2N层或Si掺杂的Mo-2N层,以及WC和新型的高熵合金AlMoCrFeNi的多层复合涂层,结合了高温陶瓷与高熵合金的优点,通过Si掺杂和WC的颗粒强化分别增强了W-2N层或Mo-2N层、高熵合金AlMoCrFeNi的硬度和韧性,具有高硬度和高耐磨性。本发明所制备的涂层结构致密、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,适用于阀体表面。(The invention provides a high-hardness and high-wear-resistance composite coating applied to the surface of a valve body, a preparation method and the valve body, wherein Si-doped W is introduced into the surface of the valve body 2 N-layer or Si-doped Mo 2 The N layer and the WC and the novel high-entropy alloy AlMoCrFeNi multilayer composite coating combine the advantages of high-temperature ceramics and high-entropy alloy, and the W is respectively enhanced by doping Si and strengthening WC particles 2 N layer or Mo 2 The N layer and the high-entropy alloy AlMoCrFeNi have the hardness and toughness and have high hardness and high wear resistance. The coating prepared by the invention has compact and uniform structure, high hardness, high strength, high toughness, high wear resistance and good corrosion resistance, and is suitable for useA valve body surface.)
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，具体属于表面强化处理技术领域，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。
背景技术
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，中国发明专利申请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。
发明内容
基于现有技术，本发明提供一种成本低廉、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。
本发明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。
本发明所制备的高硬度、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。同时本发明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。本发明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，本发明制备过程，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。
图3为基材与实施例1的摩擦实验后的磨痕SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
以20Cr阀体作为基材，在阀体表面制备高硬度、高耐磨复合涂层，具体步骤如下：
(1)以20Cr作为基材，采用100目、200目、500目、1500目砂纸逐级打磨至试样表面光亮、平整；再将20Cr基材置于酒精或丙酮中超声清洗除油，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，然后进行表面喷砂处理，喷砂磨料为棕刚玉，粒度为60目，喷砂时间为5s、喷砂距离30mm、气压0.5MPa；得到表面光滑的20Cr基体。
(2)采用激光熔覆技术将W、Si混合粉末熔覆在经步骤(1)处理后的20Cr基材表面，激光功率为1.7kW，保护气体为氩气，流量为100mL/min，送粉方式为同轴送粉，光斑直径为2.5mm，正离焦量为5mm，扫描速度15mm/s，搭接率为50％，送粉量为15g/min。激光熔覆后将置于马弗炉中，在1000℃、N2与NH3混合气体气氛下保温1h，自然冷却至室温得到Si掺杂的W2N涂层。所制备的Si掺杂的W2N涂层的厚度为70μm。将上述样品进行TEM测试的TEM图如图1所示，可以观察到明显的层状结构。
(3)将纯度≥99.0％、粒度均小于100目的Cr、Mo、Fe、Co、Ni以近等摩尔比混合，其原子数含量分别为Cr:18-22％，Mo:18-22％，Fe:18-22％，Co:18-22％，Ni:18-22％，同时加入WC颗粒，其纯度≥99.0％，粒度均小于200目，WC颗粒的加入量为Cr、Mo、Fe、Co、Ni混合粉末总质量的5％，并置于研磨罐中球磨混合1h，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)中制备的含有WC的多元混合粉末喷涂在Si掺杂的W2N涂层表面，制备厚度为80μm的WC-AlMoCrFeNi复合层。喷涂条件：所用燃气为丙烷，燃气气体流量为35mL/min，助燃气为氧气，助燃气气体流量为150mL/min，送粉气为氮气，送粉气气体流量为40mL/min，喷涂距离为80mm，喷管长度为60mm。
对步骤(4)制备的WC-AlMoCrFeNi复合层进行了金相实验，如图2所示，复合层由不规则网格状组织构成，质量较好，没有孔洞、裂纹等缺陷。
实施例2：
(1)以45钢作为基材，采用150目、400目、1200目、2000目砂纸逐级打磨至试样表面光亮、平整；再将45钢基材置于酒精或丙酮中超声清洗除油，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，然后进行表面喷砂处理，得到45钢基体。喷砂磨料为棕刚玉，粒度为80目，喷砂时间为70s、喷砂距离50mm、气压0.7MPa。
(2)将W、Si混合粉末通过激光熔覆的方法熔覆在45钢基体表面。激光功率为1.5kW，保护气体为氩气,流量为120mL/min，送粉方式为同轴送粉，光斑直径为2.5mm，正离焦量为5mmL/min，扫描速度18mm/s，搭接率为60％，送粉量为15g/min。熔覆后将工件置于马弗炉中，在800℃、N2与NH3混合气体气氛下保温2h，自然冷却至室温得Si掺杂的W2N涂层。所制备的Si掺杂的W2N涂层的厚度为120μm。
(3)将纯度≥99.0％，粒度均小于100目的Cr、Mo、Fe、Co、Ni以近等摩尔比混合，其原子数含量分别为Cr:18-22％，Mo:18-22％，Fe:18-22％，Co:18-22％，Ni:18-22％，，同时加入WC颗粒，其纯度≥99.0％，粒度均小于200目，WC颗粒的加入量为Cr、Mo、Fe、Co、Ni混合粉末总质量的8％，并置于研磨罐中球磨混合1h，并置于研磨罐中球磨混合1h，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)中制备的含有WC的多元混合粉末喷涂在Si掺杂的W2N涂层表面，制备厚度为50μm的WC-AlMoCrFeNi复合层。喷涂条件：所用燃气为丙烷，燃气气体流量为20mL/min，助燃气为氧气，助燃气气体流量为300mL/min，送粉气为氮气，送粉气气体流量为20mL/min，喷涂距离为40mm，喷管长度为120mm。
实施例3：
(1)以GCr15作为基材，采用100目、200目、600目、1200目、2000目砂纸逐级打磨至试样表面光亮、平整；再将GCr15基材置于酒精或丙酮中超声清洗除油，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，然后进行表面喷砂处理，得到GCr15基体。喷砂磨料为棕刚玉，粒度为100目，喷砂时间为10s、喷砂距离60mm、气压1MPa。
(2)采用激光熔覆技术将W、Si粉末在熔覆在GCr15基体表面。激光功率为1.5kW，保护气体为氩气，流量为150mL/min，送粉方式为同轴送粉，光斑直径为2.5mm，正离焦量为5mmL/min，扫描速度20mm/s，搭接率为60％，送粉量为20g/min。熔覆后置于马弗炉中在850℃、N2与NH3混合气体气氛下保温3h，自然冷却至室温得Si掺杂的W2N涂层。所制备的Si掺杂的W2N涂层的厚度为140μm。
(3)将纯度≥99.0％，粒度均小于100目的Cr、Mo、Fe、Co、Ni以近等摩尔比混合，其原子数含量分别为Cr:18-22％，Mo:18-22％，Fe:18-22％，Co:18-22％，Ni:18-22％，同时加入WC颗粒，其纯度≥99.0％，粒度均小于200目，WC颗粒的加入量为Cr、Mo、Fe、Co、Ni混合粉末总质量的5％，并置于研磨罐中球磨混合1h，并置于研磨罐中球磨混合2h，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(3)中制备的含有WC的多元混合粉末喷涂在Si掺杂的W2N涂层表面，制备厚度为90μm的WC-AlMoCrFeNi复合层。喷涂条件：所用燃气为丙烷，燃气气体流量为80mL/min，助燃气为氧气，助燃气气体流量为400mL/min，送粉气为氮气，送粉气气体流量为80mL/min，喷涂距离为120mm，喷管长度为200mm。
表1为上述三个实施例所制备的复合涂层的应对以及基体材料的硬度，通过对比说明本发明所制备的复合涂层的硬度得到的很大程度的提高。
表1各实施例与对比例的硬度
采用美国CETR公司的UMT-2型多用途摩擦磨损测试仪测定上述实施例所制备的复合涂层的摩擦性能。摩擦实验过程采用球盘式摩擦的方式，上试样采用直径为10mm的440C不锈钢球，材料硬度HRC62；下试样为分别为本发明实施例1-3所制备的具有高硬度、高耐磨复合涂层的基体材料所制成的圆盘。摩擦实验条件：载荷为10–30N，转速100rpm，实验时间1h。测试结果如表2所示，实验证明本发明所制备的复合涂层的摩擦系数更低，在同等条件下降低了磨损率，大大提高了基体的耐磨性能。此外，我们对实施例1制备的复合涂层经摩擦实验后磨痕进行SEM测试，并与20Cr基材的磨痕进行比较，如图3所示，其中(a)为20Cr基材的经摩擦试验所产生的磨痕，(b)为实施例1所制备复合涂层的经摩擦试验所产生的磨痕。很明显实施例1所制备复合涂层的经摩擦试验所产生的磨痕更浅，磨损更小，这与磨损率的数据相一致。
表2各实施例与对比例的摩擦性能
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种自动送料的搪瓷釉喷涂机