[发明专利]高抗汽蚀性复合覆层及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种水利机械过流部件表面覆层及其制备方法，特别涉及一种由 非晶、纳米晶、硼化物组成的高抗汽蚀性的复合覆层及其制备方法。

二、背景技术

水轮机、水泵等水利机械过流部件在运行过程中往往受到严重的汽蚀、磨蚀 、冲蚀作用，其中汽蚀损伤最为严重，汽蚀是材料在流体作用下疲劳损伤和腐蚀 联合作用的结果。虽然人们认识到汽蚀已有一百多年，但由于汽蚀本身的复杂性 及影响因素的多样性，汽蚀问题一直没有得到很好地解决。以水泵为例，困扰水 泵正常运行的一大难题是水泵叶轮的汽蚀破坏，而叶轮是水泵的核心部件。在汽 蚀、腐蚀、锈蚀等多种因素的作用下，水泵叶片表面大面积剥落，形成有突起和 穴孔的蜂窝状表面，导致泵的使用寿命大为缩短、运行效率降低、振动加剧，给 泵站的安全可靠运行造成威胁。

水力机械过流部件的使用材料经历了从青铜、铸铁到碳钢、不锈钢的发展历 程。我国科研工作者还先后研制出Cr5Cu、Cr8CuMo、0Cr13Ni4CuMo、 0Cr13Ni6Mo、0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni5Mo、17-4PH等钢种。近三十年来， 0Cr13Ni4-6Mo马氏体不锈钢在大型水利工程中得到应用，但成本高。

水力机械过流部件的汽蚀损伤仅发生在材料表面，采用价格便宜的碳素结构 钢或低合金结构钢作为母材，进行覆层处理，既节约了贵重材料，又使汽蚀严重 部位得到保护，因而表面覆层处理是一种经济有效的措施。

采用表面覆层提高材料的抗汽蚀性由来已久，国内外材料研究者开展了很多 这方面的研究，分别采用了火焰喷涂(焊)法、等离子熔覆法、激光熔覆法、电 镀(化学镀)法等。在各种覆层的制备工艺中，若覆层与基体呈结合强度较低的 机械结合，在汽蚀损伤条件下，覆层很容易沿覆层与基体的界面剥落，覆层性能 再好也不能发挥作用，如大气等离子喷涂层、火焰喷涂层；对于结合强度高的涂 层，如等离子喷焊层、激光熔覆层，涂覆层与基体呈冶金结合，虽有足够高的结 合强度承受汽蚀破坏的冲击，但由于覆层在制备过程中引入了高温，工件易变形， 尤其是对于叶片等变形要求严格的过流部件，问题更加严重。因此，制备一种与 基体结合强度高、基体不变形的覆层，是提高抗汽蚀性迫切需要解决的问题。

三、发明内容

为了解决现有技术存在的结合强度高的覆层制备过程中高温易使工件变形， 机械结合的涂层又易剥离的缺点，本发明提供一种高抗汽蚀性复合覆层及其制备 方法，制备的复合覆层由非晶、纳米晶及硼化物组成，结合强度高，不易剥离。

本发明的技术方案为：一种高抗汽蚀性复合覆层，所述的复合覆层由非晶、 纳米晶以及硼化物组成，由铁基合金粉末制备，各元素组成按重量百分比计，B ≥6％、Si为3～6％、Cr为20～55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为 Fe，复合覆层厚度为100～400μm，复合覆层中非晶、纳米晶占复合覆层的40-80 ％体积。复合覆层的抗汽蚀性是ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的3-7倍。其更 优选的各元素的组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为33～43％、 Ni为10～16％、Mo为2～3.2％、其余为Fe。

所述的高抗汽蚀性复合覆层的制备方法，是将高速火焰熔化了的合金粉末直 接喷射沉积到基体材料上实现的，非晶、纳米晶、硼化物均直接在高速火焰沉积 过程中形成，尤其纳米晶的形成不需后续退火处理，具体步骤如下：

第一步，按照各元素组成按重量百分比计，B≥6％、Si为3～6％、Cr为20～ 55％、Ni为10～20％、Mo为2～4％、其余为Fe的比例配制铁基合金粉末；铁 基合金粉末可以以合金或者金属单质的形式加入，铁基合金粉末的粒度为 10-70μm。

第二步，采用高速火焰喷射沉积的方法，在沉积表面辅以冷却气体和/或将 需沉积工件置于铜基基座上，提高基体的冷却速度，使熔化了的合金粉末沉积到 快速冷却的基体上形成覆层。高速火焰喷射沉积时的工艺参数为：氧气流量 650-1100L/min，煤油流量15-35L/h，火焰枪距工件的距离280-550mm，氩气为 送粉气，流量为6-25L/min，送粉量为4.0-8.0rpm，移动速度为300-800mm/s， 当使用冷却气体时，所用冷却气体为惰性气体或氮气。

有益效果：