專利名稱：金剛石涂層高溫高壓差閥的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種金剛石制造技術領域的方法，具體是一種高溫高含固量大壓差減壓閥金剛石涂層閥芯、閥座的制備方法。
背景技術：
高溫高含固量大壓差減壓閥，工作在高溫、固體顆粒沖蝕以及氣-固-液多相介質作用的極端工況條件下，其介質溫度420-500°C，閥的前后壓差最高可達19MPa，固體顆粒含量20-60%。由于減壓閥工作的環(huán)境條件極其苛刻，同時又要求能夠長期穩(wěn)定工作， 因此要求減壓閥能耐高溫、大壓差、耐沖刷及磨損腐蝕，且能在高粘度下無堵塞，無噪音，壽命長，密封可靠，常規(guī)的減壓閥難以滿足這些要求。在高壓差條件下完成程序動作，閥門的使用壽命和可靠性就必須要得到保證，閥芯、閥座材料選擇方面的要求非常苛刻。目前，高溫高壓差閥門多使用鎢鈷類硬質合金、金屬陶瓷及其氮碳化物硬質涂層作為耐磨器件的材料，在高溫高壓高沖蝕的工況下，傳統(tǒng)的硬質合金減壓閥閥芯、閥座材料非常容易沖蝕磨損，使用壽命無法滿足要求，嚴重影響裝備正常運行和生產能力的提高。即使采用了硬度達到23GPa的WC硬質合金制作閥芯和閥座，閥門的耐沖蝕效果也不理想，因此在綜合考慮制造成本與使用壽命的前提下，應盡量采用硬度和耐磨性更高的超硬材料和超硬涂層。眾所周知，金剛石是自然界中最硬的材料，采用高壓高溫技術(High Pressure and High iTemperatureJPHT)合成的高質量聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，簡稱 PCD)已具有接近天然金剛石的高硬度、高的彈性模量、高的熱導率和化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在此基礎上，將PCD與硬質合金基體材料通過高溫高壓燒結又可制成聚晶金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC)，進一步也可采用低溫、低壓化學氣相沉積(Chemical Vapor D印osition，簡稱CVD)法在硬質合金基體材料表面涂覆金剛石薄膜， 上述兩種技術開發(fā)高性能復合材料和表面涂層，既保持了金剛石硬度和耐磨、耐沖蝕性，又具有硬質合金抗沖擊韌性和可加工性，因此，針對高溫高固高壓差減壓閥閥門材料，一種創(chuàng)新思想就是研究開發(fā)適合于極端工況條件下的抗磨損、耐沖蝕、腐蝕金剛石閥門材——P⑶ 金剛石、PDC金剛石復合材料和CVD金剛石薄膜涂層，滿足高溫、高壓、顆粒沖蝕等特殊環(huán)境多相介質為代表的極端磨損工況條件的使用要求，對于大幅度延長閥門關鍵部件的使用壽命，保證生產設備的高效安全可靠運行具有重要意義。經對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“一種高溫高壓差減壓閥”(專利號 ZL200810202758. 8)記載了一種高溫高壓差減壓閥的結構，能夠對高溫、高含固量的流體進行減壓，產生所要求的大壓差，并從結構設計優(yōu)化的角度，防止高含固量的介質流在大壓差條件下高速流動對材料形成的嚴酷沖蝕磨損，在此基礎上，“一種聚晶金剛石復合體減壓閥閥座的制造方法”(ZL200910047277. 9)通過高溫高壓原位燒結制備了聚晶金剛石復合體 (PDC)減壓閥閥座，應用于高溫高含固量大壓差減壓閥，具有耐磨損、抗沖蝕、長壽命特點， 但該方法只適用于減壓閥閥座的制備，對于沖蝕磨損更為嚴重的閥芯無法應用，而且高溫高壓燒結制成聚晶金剛石復合體，設備復雜，成本高，特別是對于大孔徑閥座的制備(孔徑大于12毫米)，由于價格和技術等因素，采用P⑶金剛石、PDC金剛石復合材料已經非常困難?；瘜W氣相沉積金剛石薄膜具有許多獨特的優(yōu)良性能，它具有接近天然金剛石的硬度和耐磨性，具有低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、高熱導率以及高化學穩(wěn)定性等特性，從上世紀80年代初在異質基體上成功合成金剛石膜至今，CVD金剛石無論從生長理論、制備方法、 制備質量以及性能表征，還是從后續(xù)加工技術以及應用研究方面都取得了巨大的進展，從而使其作為耐磨涂層在切削刀具、拉拔模具和耐磨損器件領域具有廣闊的應用前景，能有效解決高硬度、高耐磨性和耐熱性問題。到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)國內外將CVD金剛石薄膜拓展應用到高溫高含固量大壓差減壓閥閥門材料上的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種金剛石涂層高溫高壓差閥的制備方法，采用熱絲化學氣相沉積法通過穿孔直拉熱絲和階梯排布熱絲兩種技術方案實現(xiàn)，可大幅度提高原有減壓閥的使用壽命，對保證裝備的安全運行意義重大。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用經預處理的WC-Co硬質合金YG6 或SiC\Si3N4陶瓷作為涂層襯底材料，通過直拉穿孔熱絲法制備金剛石涂層閥座；并采用經過預處理的WC-Co硬質合金YG6作為涂層襯底材料，通過階梯排布熱絲法制備金剛石涂層閥芯，最后閥芯通過閥芯夾夾持，再用螺紋和銷與閥桿固定連接，閥座通過壓套、襯套、節(jié)流孔板與閥體內腔裝配得到金剛石涂層高溫高壓差閥。所述的預處理是指作為閥座或閥芯的硬質合金襯底浸泡在Murakami溶液中進行超聲清洗，再將硬質合金襯底浸泡在Caro混合酸溶液中進行刻蝕以去除襯底表層的鈷元素(Co)，最后用WlO金剛石粉末在車床上研磨預處理。所述的Murakami溶液的成分為氫氧化鉀(KOH)、鐵氰化鉀(K3 (Fe (CN) 6))和水 (H2O),其質量配比為 KOH K3 (Fe (CN)6) H2O = 1 1 10。所述的Caro混合酸溶液的成分為濃硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2)，其體積配比為 H2SO4 H2O2 = 1 10。所述的預處理中，作為閥座的SiC\Si3N4陶瓷直接采用WlO或Wl金剛石粉末在車床上分別進行粗、精研磨預處理。所述的直拉穿孔熱絲法是指將激勵源，即熱絲穿過襯底內孔且置于襯底內孔的軸心位置，用耐高溫彈簧拉直熱絲，通過控制熱絲受熱變形，使其始終處于軸心位置且在 CVD沉積過程中始終保持挺直狀態(tài)，經沉淀后得到閥座；所述的熱絲可進一步隨著閥座孔徑的增加用多根絞絲代替單根熱絲，或采用鼠籠式多根熱絲組件來替代單根直拉熱絲和絞絲。所述的熱絲和襯底內孔之間施加一直流偏壓以形成直流偏流，以便在熱絲組件和襯底內孔表面之間產生直流等離子體，加速金剛石的沉積。所述的直拉穿孔熱絲法具體是指a)針對內孔直徑d彡6毫米的閥座，采用直徑0. 4 0. 8mm,熱絲功率500 600W 的單根直拉熱絲穿過內孔并置于軸心位置；b)針對內孔直徑6 < d彡30毫米的閥座，采用2-3根、每根直徑0. 3 0. 6mm、每
4根功率1000 1400W的熱絲組成的絞絲穿過內孔并置于軸心位置；c)針對內孔直徑30 < d彡50毫米的閥座，采用3-6根、每根直徑0. 4 0. 8mm、 每根功率2000 2300W的熱絲組成的鼠籠式熱絲組件穿過內孔并置于軸心位置；采用反應氣體壓力30 !35Torr，碳源濃度1 3%，襯底溫度800 950°C，偏流1. 0 4. 0A，經過4 17小時沉積后得到帶有金剛石涂層的閥座。所述的階梯排布熱絲法是指通過對上、下兩對，共四根與豎直放置于水冷工作臺上的閥芯軸線方向相垂直的熱絲施加500 900W的功率，實現(xiàn)最優(yōu)沉積溫度場分布，經沉積后得到帶有金剛石涂層的閥芯。所述的閥芯的直徑4彡d彡20毫米；所述的熱絲的直徑0. 4 0. 8mm ；所述的沉積是指反應氣體壓力1. 625 3. 325KPa，碳源濃度1 3%，閥芯材料的襯底溫度750 950°C，偏流0 0. 1A，經過5_8小時沉積后得到8 12微米厚的常
規(guī)金剛石層。所述階梯排布熱絲法的上下熱絲結構，為大直徑閥芯回轉體的金剛石涂層生長提供了合適的溫度場分布。水平安裝的熱絲結構，易于調整熱絲間的相對高度與間距，無需涂層的閥芯底座部分，遠離熱絲，用鉬皮包覆，得到有效地保護。本發(fā)明制備的金剛石涂層閥座、閥芯可以用于各類高溫高壓差含固物料減壓閥。


圖1為金剛石涂層閥座制備熱絲布置示意圖；圖2金剛石涂層閥芯熱絲布置示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1第一步、閥座涂層處理閥座為YG6碳化鎢硬質合金，外形尺寸為Φ78Χ^毫米，孔徑Φ48毫米，內孔表面經Murakami溶液中進行30分鐘超聲清洗，使得硬質合金內孔襯底表面粗化，其中 Murakami溶液的成分為氫氧化鉀(KOH)、鐵氰化鉀(K3(Fe(CN)6))和水(H2O),其質量配比為KOH K3 (Fe (CN)6) H2O = 1 1 10。再將硬質合金襯底浸泡在Caro混合酸溶液中進行1分鐘的刻蝕以去除襯底表層的鈷元素(Co)，其中Caro混合酸溶液的成分為濃硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2),其體積配比為HCl H2O2=I 10，洗凈干燥后置于反應室中。 熱燈絲采用鼠籠式熱絲組件，組件中共有Φ 0.5毫米鉭絲4根，并均勻分隔在Φ 40毫米的園形鉬片上。熱絲組件穿過內孔后與燈絲電極相連，用耐高溫彈簧拉直，并使組件軸線與內孔軸線相重合。反應室抽真空后通入反應氣體(氫氣和丙酮)，調整反應室壓力后開始CVD 沉積金剛石涂層，工藝參數(shù)為壓力35ΤΟΠ·，氣體總流量700毫米/分，丙酮/氫氣為1. 5 % (體積比)，熱燈絲加熱功率為2. 1KW，燈絲溫度約2200°C，直流正偏流約4A，經15小時沉積后，模孔表面沉積得到約38微米的金剛石涂層。第二步、閥芯涂層處理閥芯為YG6碳化鎢硬質合金，端部直徑為Φ 12mm,前段芯長為30mm，閥芯總長為66 毫米。將上述的的閥芯前段置于Murakami劑中進行超聲腐蝕，腐蝕液的配方(重量比)鐵氰化鉀氫氧化鉀水為1 1 10，時間約25分鐘，取出用水洗凈后再置于硫酸雙氧水溶液(體積比1 10)中腐蝕30秒鐘，洗凈后再置于金剛石微粉(粒度20微米)乙醇懸浮液中超聲振蕩處理20分鐘，然后洗凈吹干，將閥芯置于熱絲CVD反應室的水冷卻平臺上， 開始金剛石涂層的沉積。熱絲采用兩對線徑為Φ0. 8的鉭絲，鉭絲間距35毫米，其中一對的高度與閥芯的端部相同，另一對則低25毫米。反應室抽真空后通入反應氣體(氫氣和丙酮)，調整反應室壓力后開始CVD金剛石涂層的沉積，工藝參數(shù)為壓力10-25ΤΟΠ·，氣體總流量700毫升/分，丙酮/氫氣(體積比)為2%，鉭絲溫度為2100°C左右，經過3小時沉積后，端部沉積得到約6-8微米厚的金剛石涂層。將閥芯位置旋轉90度，用同樣的工藝參數(shù)再進行3小時沉積，獲得約12微米厚的金剛石涂層，并可有效保證涂層均勻性。該閥芯工作壽命比硬質合金提高8倍以上。第三步、閥芯通過閥芯夾夾持，再用螺紋和銷與閥桿固定連接，閥桿與閥體內腔之間的空隙需要布置填料，燈籠套，金屬0形圈等密封零件，并用壓蓋固定，閥座進行溫差壓合裝配在壓套內部、下部設有襯套、節(jié)流孔板與閥體內腔裝配。實施例2本實施例包括以下步驟閥座為反應燒結的碳化硅陶瓷，外形尺寸為Φ 45 X 25毫米，孔徑Φ 20毫米，內孔表面經鉆石微粉研磨、洗凈干燥后置于反應室中。熱燈絲采用2根φ 0.7毫米熱絲絞絲，熱絲絞絲穿過內孔后與燈絲電極相連，用耐高溫彈簧拉直，并使組件軸線與內孔軸線相重合。 反應室抽真空后通入反應氣體(氫氣和丙酮)，調整反應室壓力后開始CVD沉積金剛石涂層，工藝參數(shù)為壓力32ΤΟΠ·，氣體總流量700毫米/分，丙酮/氫氣為1. 5 % (體積比)， 熱燈絲加熱功率為1. 3KW，燈絲溫度約2200°C，直流正偏流約3Α，經9小時沉積后，?？妆砻娉练e得到約35微米的金剛石涂層。在閥芯上鍍覆CVD金剛石涂層，閥芯為YG6碳化鎢硬質合金，端部直徑為Φ 6，前段芯長為20mm，閥芯總長為42毫米。預處理方法與實施例1閥芯相同，置于熱絲CVD反應室的水冷卻平臺上，開始金剛石涂層的沉積。熱絲采用兩對線徑為Φ0. 6的鉭絲，鉭絲間距 40毫米，其中一對的高度與閥芯的端部相同，另一對則低20毫米。反應室抽真空后通入反應氣體(氫氣和丙酮)，調整反應室壓力后開始CVD金剛石涂層的沉積，工藝參數(shù)為壓力 10-25Torr，氣體總流量700毫升/分，丙酮/氫氣(體積比)為2%，鉭絲溫度為2100°C左右，經過3小時沉積后，刀刃處沉積得到約4-7微米厚的金剛石涂層。將閥芯位置旋轉90 度，用同樣的工藝參數(shù)再進行3小時沉積，獲得約10微米厚的金剛石涂層，并可有效保證涂層均勻性，工作壽命比硬質合金提高8倍以上。實施例3本實施例包括以下步驟閥座為YG6碳化鎢硬質合金，外形尺寸為Φ20Χ12毫米，孔徑Φ6毫米，內孔表面預處理方法與實施例1閥座相同，熱燈絲采用Φ0. 7毫米單根鉭絲穿過?？缀笈c燈絲電極相連，用耐高溫彈簧拉直，并使組件軸線與?？纵S線相重合。反應室抽真空后通入反應氣體，調整反應室壓力后開始CVD沉積金剛石涂層，工藝參數(shù)為壓力30ΤΟΠ·，氣體總流量700 毫米/分，丙酮/氫氣為1. 5% (體積比)，熱燈絲加熱功率為0. 6KW，燈絲溫度約2200°C， 直流正偏流約1A，經5小時沉積后，模孔表面沉積得到約28微米的金剛石涂層。
在閥芯上鍍覆CVD金剛石涂層，閥芯為YG6碳化鎢硬質合金，端部直徑為Φ 4，前段芯長為18mm，閥芯總長為35毫米。預處理方法與實施例1閥芯相同，置于熱絲CVD反應室的水冷卻平臺上，開始金剛石涂層的沉積。熱絲采用兩對線徑為Φ0. 5的鉭絲，鉭絲間距 40毫米，其中一對的高度與閥芯的端部相同，另一對則低16毫米。反應室抽真空后通入反應氣體(氫氣和丙酮)，調整反應室壓力后開始CVD金剛石涂層的沉積，工藝參數(shù)為壓力 10-25Torr，氣體總流量700毫升/分，丙酮/氫氣(體積比)為2%，鉭絲溫度為2100°C左右，經過3小時沉積后，刀刃處沉積得到約4-5微米厚的金剛石涂層。將閥芯位置旋轉90 度，用同樣的工藝參數(shù)再進行3小時沉積，獲得約9微米厚的金剛石涂層，并可有效保證涂層均勻性，工作壽命比硬質合金提高6倍以上。
權利要求
1.一種金剛石涂層高溫高壓差閥的制備方法，其特征在于，采用經預處理的WC-Co硬質合金YG6或SiC\Si3N4陶瓷作為涂層襯底材料，通過直拉穿孔熱絲法制備金剛石涂層閥座；并采用經過預處理的WC-Co硬質合金YG6作為涂層襯底材料，通過階梯排布熱絲法制備金剛石涂層閥芯，最后閥芯通過閥芯夾夾持，再用螺紋和銷與閥桿固定連接，閥座通過壓套、襯套、節(jié)流孔板與閥體內腔裝配得到金剛石涂層高溫高壓差閥。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的預處理是指作為閥座或閥芯的硬質合金襯底浸泡在Murakami溶液中進行超聲清洗，再將硬質合金襯底浸泡在Caro混合酸溶液中進行刻蝕以去除襯底表層的鈷元素(Co)，最后用WlO金剛石粉末在車床上研磨預處理。
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征是，所述的Murakami溶液的成分為K0H、 K3(Fe(CN)6)和 H2O,其質量配比為 KOH K3(Fe(CN)6) H2O = 1 1 10。
4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征是，所述的Caro混合酸溶液的成分為H2SO4 和H2O2，其體積配比為H2SO4 H2O2 = I 10。
5.根據權利要求2所述的制備方法，其特征是，所述的預處理中，作為閥座的SiC\Si3N4 陶瓷直接采用WlO或Wl金剛石粉末在車床上分別進行粗、精研磨預處理。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的直拉穿孔熱絲法是指將激勵源，即單根熱絲、多根絞絲或鼠籠式多根熱絲組件穿過襯底內孔且置于襯底內孔的軸心位置，用耐高溫彈簧拉直熱絲，通過控制熱絲受熱變形，使其始終處于軸心位置且在CVD沉積過程中始終保持挺直狀態(tài)，經沉淀后得到閥座。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征是，所述的熱絲和襯底內孔之間施加直流偏壓以形成直流偏流，以便在熱絲組件和襯底內孔表面之間產生直流等離子體，加速金剛石的沉積。
8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的直拉穿孔熱絲法具體是指a)針對內孔直徑d< 6毫米的閥座，采用直徑0. 4 0. 8mm，熱絲功率500 600W的單根直拉熱絲穿過內孔并置于軸心位置；b)針對內孔直徑6< d < 30毫米的閥座，采用2-3根、每根直徑0. 3 0. 6mm、每根功率1000 1400W的熱絲組成的絞絲穿過內孔并置于軸心位置；c)針對內孔直徑30< d < 50毫米的閥座，采用3-6根、每根直徑0. 4 0. 8mm、每根功率2000 2300W的熱絲組成的鼠籠式熱絲組件穿過內孔并置于軸心位置；采用反應氣體壓力30 35Torr，碳源濃度1 3%，襯底溫度800 950°C，偏流 1. 0 4. OA,經過4 17小時沉積后得到帶有金剛石涂層的閥座。
9.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是，所述的階梯排布熱絲法是指通過對上、下兩對，共四根與豎直放置于水冷工作臺上的閥芯軸線方向相垂直的熱絲施加500 900W的功率，實現(xiàn)最優(yōu)沉積溫度場分布，經沉積后得到帶有金剛石涂層的閥芯。
10.根據權利要求9所述的制備方法，其特征是，所述的閥芯的直徑4< d < 20毫米； 所述的熱絲的直徑0. 4 0. 8mm ；所述的沉積是指反應氣體壓力1. 625 3. 325KPa，碳源濃度1 3%，閥芯材料的襯底溫度750 950°C，偏流0 0. 1A，經過5_8小時沉積后得到8 12微米厚的常規(guī)金剛石層。
全文摘要
一種金剛石制造技術領域的金剛石涂層高溫高壓差閥的制備方法，采用經預處理的WC-Co硬質合金YG6或SiC\Si3N4陶瓷作為涂層襯底材料，通過直拉穿孔熱絲法制備金剛石涂層閥座；并采用經過預處理的WC-Co硬質合金YG6作為涂層襯底材料，通過階梯排布熱絲法制備金剛石涂層閥芯，最后閥芯通過閥芯夾夾持，再用螺紋和銷與閥桿固定連接，閥座熱鑲入壓套，通過襯套、節(jié)流孔板與裝入閥體內腔得到金剛石涂層高溫高壓差閥。本發(fā)明采用熱絲化學氣相沉積法通過穿孔直拉熱絲和階梯排布熱絲兩種技術方案實現(xiàn)，可大幅度提高原有減壓閥的使用壽命，對保證裝備的安全運行意義重大。
文檔編號C23C16/44GK102337515SQ201110330198
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權日2011年10月26日
發(fā)明者孫方宏, 張志明, 彭東輝, 沈彬, 王新昶, 郭松壽 申請人:上海交通大學, 上?；ぱ芯吭?br>