本發(fā)明涉及工程與材料科學(xué)的表面涂層技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種強(qiáng)化水泵葉輪表面等離子噴涂陶瓷涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

一直以來，水泵過流部件的汽蝕、磨損及其聯(lián)合破壞是水泵運(yùn)行、檢修維護(hù)過程中的一個(gè)大問題。尤其是在多泥沙水系中運(yùn)行的水泵，在泥沙磨損和空化的聯(lián)合作用下，水泵葉輪的損壞速度遠(yuǎn)超于單一的沖蝕磨損和空化破壞。汽蝕磨損破壞縮短了水泵檢修周期，造成了大量的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。因此，如何有效的提高水泵過流部件(葉輪)的抗磨蝕破壞性能，延長(zhǎng)水泵的大修期，確保水泵機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全、高效運(yùn)行，是目前亟待解決的問題。

氣泡的形成、增長(zhǎng)和潰滅以及造成的侵蝕過程稱為汽蝕。水泵葉輪汽蝕的發(fā)生是由于入口附近低壓區(qū)處的壓力降低到液體飽和蒸汽壓力，導(dǎo)致部分液體汽化所致。汽蝕造成的后果是嚴(yán)重的，它使水泵的流量、效率及揚(yáng)程急劇下降，同時(shí)汽蝕還伴有噪音響聲，引起機(jī)組和廠房的震動(dòng)，造成不穩(wěn)定運(yùn)行。水泵的磨損破壞是指水流對(duì)泵的過流部件的沖刷和泥沙磨損破壞。磨損破壞主要發(fā)生在泵的葉輪與泵殼、葉輪與密封環(huán)間隙等處。磨損破壞同樣會(huì)影響泵的性能，使泵的流量、揚(yáng)程和效率降低，并引起機(jī)組的震動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)行。汽蝕和磨損這兩者的聯(lián)合作用是水泵實(shí)際運(yùn)行過程中不可避免的問題。

目前，采用激光表面改性、熱噴涂、化學(xué)鍍和電鍍等方法對(duì)水泵葉輪表面進(jìn)行改性，可以提高葉輪的抗磨蝕性能，延長(zhǎng)泵的服役壽命。大量實(shí)踐表明，表面涂覆涂層是提高材料耐磨防腐性能中最有效、最常用的一種方法。等離子噴涂是以非轉(zhuǎn)移弧的等離子弧為熱源，將材料以粉末形式送入焰流中心加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，噴射到基材表面形成涂層的方法。等離子弧所產(chǎn)生的溫度可高達(dá)15000℃，幾乎可熔化所有材料，尤其適合噴涂熔點(diǎn)高的陶瓷材料，同時(shí)被噴涂的零件尺寸范圍廣，可大面積噴涂，也可對(duì)大型構(gòu)件做局部噴涂。因此，在水泵葉輪表面采用等離子噴涂制備陶瓷涂層具有很大應(yīng)用前景。

cn105088224a發(fā)明一種水泵葉輪強(qiáng)化延壽的裝置和方法，該發(fā)明通過工控臺(tái)、六軸機(jī)械手、激光器、聚焦鏡和三爪卡盤的彼此配合，能夠?qū)崿F(xiàn)水泵葉輪曲面空間任意一點(diǎn)的定位，從而解決復(fù)雜空間曲面難以修復(fù)和強(qiáng)化的問題。采用激光熔覆工藝有效修復(fù)水泵葉輪表面產(chǎn)生的孔洞和犁溝等，不僅延長(zhǎng)了水泵葉輪的服役壽命，同時(shí)還大幅提高水泵葉輪的耐磨耐腐蝕性能。

cn102925848a發(fā)明公開一種水泵葉輪表面超音速火焰噴涂納米超硬復(fù)合涂層的制備方法。該發(fā)明采用超音速火焰噴涂工藝在水泵葉輪表面基體上制備納米結(jié)構(gòu)的wc-8co超硬復(fù)合涂層，本發(fā)明涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到100mpa，同時(shí)超音速火焰噴涂因其具有較高的噴射速度及較低的火焰溫度從而有效保證了粉末顆粒在噴涂過程中更少的氧化和脫碳。水泵葉輪基體表面wc-8co硬質(zhì)合金涂層的硬度可達(dá)hrc65，涂層組織結(jié)構(gòu)致密，具有優(yōu)異的耐磨耐蝕性，其適應(yīng)于各種磨粒、沖蝕和滑動(dòng)磨損的防護(hù)，繼而顯著提高了水泵的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述缺陷，提供一種強(qiáng)化水泵葉輪表面等離子噴涂陶瓷涂層的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種強(qiáng)化水泵葉輪表面等離子噴涂陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，包含以下步驟：

(1)對(duì)水泵葉輪表面用丙酮進(jìn)行超聲清洗并干燥；

(2)對(duì)于待強(qiáng)化的水泵葉輪表面用棕剛玉進(jìn)行噴砂粗化處理；

(3)將陶瓷粉末置于烘箱中干燥備用；

(4)噴涂前利用噴槍焰流溫度對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后采用等離子噴涂工藝在預(yù)處理好的水泵葉輪基體表面噴涂陶瓷粉末，制備出具有高硬度的耐磨耐蝕陶瓷涂層；

(5)葉輪表面陶瓷涂層厚度根據(jù)需要分多次噴涂獲得；

(6)將噴涂好的工件采用石棉包覆，置于空氣中自然冷卻。

所述步驟(1)中水泵葉輪可以是鑄鐵葉輪、不銹鋼葉輪、鋁合金葉輪、黃銅葉輪等基體。

所述步驟(2)中棕剛玉粒度范圍為16-24目，激活后的水泵葉輪表面粗糙度要求不低于ra7.0。

所述步驟(3)中陶瓷粉末包括氧化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末以及陶瓷基復(fù)合粉末等。

所述步驟(4)中基體預(yù)熱溫度為100-200℃，等離子噴涂工藝電流為300-700a，電壓為30-80v，等離子生成氣ar流量為40-60l/min，h2流量為2-10l/min，送粉速度為20-80g/min，噴涂距離為80-150mm。

所述步驟(4)中陶瓷涂層的硬度可達(dá)hv800-1200。

所述步驟(5)中涂層厚度為50-300μm。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于：

第一，可顯著延長(zhǎng)水泵的使用周期；

第二，陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、硬度高和化學(xué)穩(wěn)定性好的特性，等離子噴涂具有能量密度高，對(duì)基材熱影響區(qū)小，且能保持基材的組織等特性。相比于其他噴涂方法，等離子噴涂更適于噴涂熔點(diǎn)高的陶瓷材料，將兩者優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，采用等離子噴涂工藝在水泵葉輪表面沉積陶瓷涂層更加符合水泵葉輪表面耐磨損、抗汽蝕的要求。

第三，等離子噴涂工藝簡(jiǎn)單可行，生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化程度高，夾持噴槍的機(jī)械手可根據(jù)葉輪曲面進(jìn)行三維空間編程，有效解決空間曲面難以定位的難題。該方法在生產(chǎn)加工過程中不產(chǎn)生對(duì)人體和自然環(huán)境有危害的物質(zhì)，符合綠色環(huán)保的生產(chǎn)理念，同時(shí)，利用該方法可以修復(fù)因磨損失效的水泵葉輪，實(shí)現(xiàn)工件多次循環(huán)使用，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此具有強(qiáng)大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

相比于專利cn105088224a中涉及的一種水泵葉輪強(qiáng)化延壽的裝置和方法，本發(fā)明所涉及的裝置更為簡(jiǎn)單可靠，且噴涂過程對(duì)葉輪基體熱影響小，不會(huì)改變基體本身的組織與形狀。同時(shí)相比于cn105088224a采用的激光熔覆工藝，本專利所涉及的工藝更適合對(duì)水泵葉輪表面進(jìn)行強(qiáng)化和修復(fù)，具有生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化程度高、涂層性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

相比于專利cn102925848a發(fā)明的一種水泵葉輪表面超音速火焰噴涂納米超硬復(fù)合涂層的制備方法。本發(fā)明采用的等離子噴涂工藝熱源能量密度更高，涂層沉積效率高，對(duì)噴涂材料的適應(yīng)范圍廣，尤其適合噴涂熔點(diǎn)高的陶瓷材料，制備的涂層具有硬度高、涂層致密、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。相比于cn102925848a中所使用的納米結(jié)構(gòu)的wc-8co陶瓷硬質(zhì)合金粉末，本專利所選用的粉末均是微米級(jí)的，因而還具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

附圖說明

圖1——本發(fā)明實(shí)施例1中zro2涂層拋光截面sem圖。

圖2——本發(fā)明實(shí)施例1中的zro2涂層斷面sem圖。

圖3——本發(fā)明實(shí)施例1中的zro2涂層xrd圖譜。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)思路是：

針對(duì)現(xiàn)有方法加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、涂層質(zhì)量不理想以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，本發(fā)明提供一種強(qiáng)化水泵葉輪表面的等離子噴涂陶瓷涂層的制備方法，通過等離子噴涂工藝在水泵葉輪基體表面制備具有高硬度、耐磨損、抗汽蝕的陶瓷涂層，進(jìn)而提高水泵的運(yùn)行效率并有效延長(zhǎng)其使用壽命。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，所描述的實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理與方法，而非用于限制本發(fā)明?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下對(duì)本發(fā)明的一些技術(shù)特征做出的替換和變形，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明所涉及的粉末原料、儀器、設(shè)備等均可從市場(chǎng)購得，或通過常規(guī)方法制備得到。

包含以下步驟：

(1)對(duì)水泵葉輪表面用丙酮進(jìn)行超聲清洗并干燥；

(2)對(duì)于待強(qiáng)化的水泵葉輪表面用棕剛玉進(jìn)行噴砂粗化處理；

(3)篩取150-300目的陶瓷粉末放于100℃烘箱中干燥2h備用；

(4)噴涂前利用噴槍焰流溫度對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后采用等離子噴涂工藝在預(yù)處理好的水泵葉輪基體表面噴涂陶瓷粉末，制備出具有高硬度的耐磨耐蝕陶瓷涂層；

(5)葉輪表面陶瓷涂層厚度為50-300μm；

(6)將噴涂好的工件采用石棉包覆，置于空氣中自然冷卻。

所述步驟(1)中水泵葉輪可以是鑄鐵葉輪、不銹鋼葉輪、鋁合金葉輪、黃銅葉輪等基體。所述步驟(2)中棕剛玉粒度范圍為16-24目，激活后的水泵葉輪表面粗糙度要求不低于ra7.0。所述步驟(3)中陶瓷粉末包括氧化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末以及陶瓷基復(fù)合粉末等。所述步驟(4)中基體預(yù)熱溫度為100-200℃，等離子噴涂工藝電流為300-700a，電壓為30-80v，等離子生成氣ar流量為40-60l/min，h2流量為2-10l/min，送粉速度為20-80g/min，噴涂距離為80-150mm。所述步驟(4)中陶瓷涂層的硬度可達(dá)hv800-1200。

下面由實(shí)施例來進(jìn)一步具體說明本發(fā)明所有過程步驟和細(xì)節(jié)。

實(shí)施例1：

1.用丙酮對(duì)水泵葉輪表面進(jìn)行超聲清洗以去除油污銹漬等雜質(zhì)，清洗完成后立刻烘干以防止生銹。

2.用粒度為20目的棕剛玉對(duì)待噴涂的水泵葉輪表面進(jìn)行噴砂粗化處理以提高涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，要求粗化后表面粗糙度大于ra7.0。

3.稱取2000g粒徑范圍在150-300目的zro2陶瓷粉末，放入100℃烘箱中干燥2h以保持在噴涂過程中粉末的良好流動(dòng)性。

4.在實(shí)施噴涂前，利用等離子焰流在水泵葉輪基體表面空走一遍，使基體預(yù)熱溫度達(dá)到150℃左右，隨后采用等離子噴涂工藝在預(yù)熱好的基體表面噴涂zro2涂層。等離子生成氣為ar和h2，其中ar流量為55l/min，h2流量為7l/min，噴涂功率為36kw，送粉速度50g/min，噴涂距離為120mm，噴槍平移速度為300mm/s，重復(fù)噴涂5次。在水泵葉輪表面制備出厚度約為300μm的耐磨蝕zro2陶瓷涂層。

5.噴涂完成后立刻采用石棉包裹住工件置于空氣中自然冷卻，防止因急冷導(dǎo)致涂層開裂或剝落。

經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明實(shí)施例1中zro2陶瓷涂層的hv0.3維氏硬度可達(dá)到820，遠(yuǎn)高于水泵葉輪基體材料的硬度，因而具有更高的耐磨損性能。

將制備得到的zro2陶瓷涂層拋光后經(jīng)掃描電鏡觀察其截面形貌，結(jié)果如圖1所示，zro2陶瓷顆粒熔融良好，顆粒間結(jié)合緊湊，涂層組織致密，氣孔率較低。實(shí)施例1中zro2涂層斷面形貌的掃描電鏡圖如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)其斷面組織結(jié)構(gòu)為典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶晶體生長(zhǎng)方向不一致，錯(cuò)綜復(fù)雜，柱狀晶之間的結(jié)合良好，非常致密。涂層微觀結(jié)構(gòu)的致密性能夠有效減少因點(diǎn)蝕而造成的表面損傷，進(jìn)而提高其抗沖蝕性能。

對(duì)噴涂得到的zro2陶瓷涂層通過xrd分析其相成分，結(jié)果如圖3所示，涂層主要由zro2的立方相、四方相和少量單斜相構(gòu)成。高溫等離子焰流使涂層中單斜相含量降低，有助于提高涂層的穩(wěn)定性。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取2000g粒度范圍在250-600目的al2o3陶瓷粉末；在步驟4中，控制送粉量為40g/min送入焰流中心，等離子生成氣ar流量為45l/min，h2流量為6l/min，噴涂功率為40kw，噴涂距離為100mm，噴槍平移速度為300mm/s，重復(fù)噴涂5次。在水泵葉輪表面制備出厚度約為240μm，硬度約為830hv0.3的耐磨蝕al2o3陶瓷涂層。涂層的沉積效率為50％左右，孔隙率約為3％。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取2000g粒度范圍在150-300目的tio2陶瓷粉末；在步驟4中，控制送粉量為35g/min送入焰流中心，等離子生成氣ar流量為40l/min，h2流量為6l/min，噴涂功率為35kw，噴涂距離為80mm，噴槍平移速度為300mm/s，重復(fù)噴涂5次。在水泵葉輪表面制備出厚度約為250μm，硬度約為750hv0.3的耐磨蝕tio2陶瓷涂層。涂層物相主要為金紅石型tio2，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)31mpa。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取2000g粒度范圍在150-300目的al2o3-13wt.％tio2陶瓷復(fù)合粉末，采用機(jī)械混合法混合均勻；在步驟4中，控制送粉量為40g/min送入焰流中心，等離子生成氣ar流量為70l/min，h2流量為6l/min，噴涂功率為40kw，噴涂距離為90mm，噴槍平移速度為300mm/s，重復(fù)噴涂5次。在水泵葉輪表面制備出厚度約為300μm，硬度約為1150hv0.3的耐磨蝕al2o3-13wt.％tio2陶瓷復(fù)合涂層。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取2000g粒度范圍在150-300目的al2o3-3wt.％tio2陶瓷復(fù)合粉末，采用機(jī)械混合法混合均勻；在步驟4中，控制送粉量為30g/min送入焰流中心，等離子生成氣ar流量為45l/min，h2流量為6l/min，噴涂功率為40kw，噴涂距離為100mm，噴槍平移速度為300mm/s，重復(fù)噴涂5次。在水泵葉輪表面制備出厚度約為280(m，硬度約為1000hv0.3的耐磨蝕al2o3-3wt.％tio2陶瓷復(fù)合涂層。復(fù)合涂層的孔隙率為3.5％，沉積效率高于單一陶瓷涂層，約為60％，在大量生產(chǎn)的情況下可提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本。