[發(fā)明專利]金剛石涂層高溫高壓噴霧噴嘴的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410005575.2
• 申請日: 2014-01-06
• 公開（公告）號: CN103757601A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設計）人: 王新昶;郭松壽;孫方宏;沈彬;張志明;張文驊
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海交友鉆石涂層有限公司;蘇州交鉆納米超硬薄膜有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/448
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發(fā)明屬于薄膜技術領域，具體涉及一種金剛石涂層高溫高壓噴霧噴嘴的制備方法。

背景技術

噴嘴廣泛應用于機械、石油、化工、汽車、船舶、航空航天、冶金、煤炭等各行各業(yè)，是噴霧干燥、表面強化、表面清洗、表面噴涂、表面改性、磨料噴射切割、水射流切割等機械化工設備上的關鍵部件。其中噴霧噴嘴通常都會應用在高溫高壓環(huán)境下，高壓磨料漿流的劇烈沖擊會對噴嘴工作表面產(chǎn)生強烈的沖蝕磨損作用，因此對高溫高壓噴霧噴嘴材料的耐沖蝕磨損性能提出了極高的要求。

目前國內(nèi)外常用的噴嘴材料主要有金屬、硬質(zhì)合金和陶瓷等，其中金屬材料具有良好的加工工藝性，可用于制作結構復雜的噴嘴，但金屬材料硬度低，在低角沖蝕條件下沖蝕磨損率較高，因此金屬噴嘴通常沖蝕磨損嚴重，使用壽命短；WC硬質(zhì)合金的最高硬度可以達到23GPa，但是采用硬質(zhì)合金材料制作的噴嘴在高壓、高固態(tài)濃度流體高速沖蝕的工況條件下耐沖蝕效果也不理想，并且生產(chǎn)WC硬質(zhì)合金的主要原材料鎢是重要的不可再生戰(zhàn)略資源，成本較高，價格昂貴；陶瓷材料具有很高的硬度和較為廉價的成本，但是陶瓷材料多采用固相燒結，晶體陶瓷內(nèi)部存在大量的氣孔、玻璃相及微裂紋等結構缺陷，造成陶瓷材料結構和表面的不完整性。采用傳統(tǒng)材料制造的噴霧噴嘴在許多應用條件下的沖蝕磨損性能都難以達到長期穩(wěn)定使用的需求，使用壽命較短，嚴重影響噴霧裝備的正常運行和產(chǎn)品質(zhì)量，因此在綜合考慮制造成本與使用壽命的前提下，應在傳統(tǒng)材料基礎上采用硬度、耐磨性和性價比更高的超硬涂層材料。

經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮镃N201010189120.2的中國專利“一種帶有鎳-碳化鎢涂層的水煤漿噴嘴及其制備方法”記載了一種專用于水煤漿流通的涂層噴嘴，采用激光熔覆方法，在傳統(tǒng)噴嘴水煤漿通道的內(nèi)壁上制備一層厚200～300μm的鎳-碳化鎢涂層，大幅提高了水煤漿噴嘴的耐沖蝕性能，延長了噴嘴的使用壽命，但是鎳-碳化鎢涂層的硬度和耐磨性也僅僅達到硬質(zhì)合金的水平，仍舊無法滿足更加嚴苛的工況條件下長期穩(wěn)定的使用需求。申請?zhí)枮镃N200710005526.9的中國專利“紡紗噴嘴”記載了一種采用碳或碳化合物的無機固體物質(zhì)作為保護涂層的紡紗噴嘴，該碳或碳化合物的無機固體物質(zhì)選自類金剛石碳、碳化鈦或碳氮化鈦之一，涂層覆蓋在噴嘴芯的入口端、出口端和紗線通道的內(nèi)表面上，具有低摩擦系數(shù)和高耐磨性，提高了紡紗生產(chǎn)的生產(chǎn)率，并且保證了紡紗產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，類金剛石碳、碳化鈦或碳氮化鈦涂層多采用物理氣相沉積(Physical?Vapor?Deposition，PVD)方法制備，材料硬度和耐磨性相對較高，比如類金剛石涂層的硬度可達到2500～8000HV，碳化鈦和碳氮化鈦涂層的硬度約為3000HV，但是厚度一般較薄，在高固態(tài)濃度流體中的高硬度固體粒子斷續(xù)沖擊下對于襯底材料的保護不夠，容易脫落。

化學氣相沉積(Chemical?Vapor?Deposition，CVD)金剛石涂層具有近似于天然金剛石的高硬度(9000～10000HV)、高彈性模量、低摩擦系數(shù)、良好的耐磨損性能、較低的熱膨脹系數(shù)、極高的熱導率以及良好的表面化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，從上世紀80年代初在異質(zhì)基體上成功合成金剛石涂層至今，CVD金剛石無論從生長理論、制備方法、制備質(zhì)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，從而使其作為耐磨減摩及耐沖蝕涂層在切削刀具、拉拔模具、耐磨器件和耐流體沖蝕器件領域具有廣闊的應用前景，在各種涂層方法中，熱絲CVD(Hot?Filament?CVD，HFCVD)技術設備結構簡單、操作便利、成本低廉，并且適用于大面積復雜形狀及內(nèi)孔沉積，因此在工業(yè)領域得到了最普遍的應用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種金剛石涂層高溫高壓噴霧噴嘴的制備方法；針對具有內(nèi)孔表面和入口錐面兩部分工作表面的噴霧噴嘴，采用熱絲化學氣相沉積法通過“兩步布絲沉積”的技術方案實現(xiàn)在噴嘴整個工作表面沉積厚度和質(zhì)量均勻、具有優(yōu)異沖蝕磨損性能的金剛石涂層，大幅度提高原有噴嘴的使用壽命，對保證噴霧裝備的安全運行、提高產(chǎn)品的質(zhì)量意義重大。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種金剛石涂層高溫高壓噴霧噴嘴的制備方法，所述方法包括：采用經(jīng)過預處理的硬質(zhì)合金或SiC/Si₃N₄陶瓷噴嘴作為涂層襯底材料，通過雙襯底直拉穿孔熱絲排布法在噴嘴內(nèi)孔表面沉積金剛石涂層，再通過平行熱絲排布法在噴嘴入口錐面沉積金剛石涂層。