專利名稱：Ni(Fe)－Al系金屬間化合物涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱噴涂技術(shù)制備金屬間化合物表面涂層的方法，尤其涉及鐵基或鎳基金屬材料高溫耐磨耐蝕表面涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對電力、化工等行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品提出了更高的要求，要求產(chǎn)品能在高參數(shù)(如高溫、高速、高壓)、高度自動化和惡劣的工況條件下長期運轉(zhuǎn)，這就必然對機件表面的性能提出了更高的要求。如在石化工業(yè)中的某些設(shè)備的零部件工作溫度高達1300℃，工作環(huán)境為濃硫化氫(98％H2S)強腐蝕性氣體；高溫和強腐蝕性氣體大大縮短了這些零部件的使用壽命。以其測溫元件熱電偶保護套管為例，各類鎳基高溫合金的保護管，平均使用壽命僅在7～15天之間。目前國內(nèi)外廣泛采用的火力發(fā)電循環(huán)流化床鍋爐的埋管和水冷壁的使用壽命也僅有三個月左右，大大影響了電力系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，也給安全生產(chǎn)帶來很大的隱患。在電力、冶金、航空、化工、汽車、機械和農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域，急需耐高溫腐蝕與磨損的材料和零部件，目前尚無理想有效的解決辦法。
金屬間化合物是很好的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的高溫耐腐蝕和耐磨損特性，能夠很好的滿足上述需要；但該類材料存在室溫脆性大，斷裂抗力低，制備加工困難等缺點，作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用范圍非常有限。
傳統(tǒng)涂層技術(shù)所制備的耐磨、耐蝕類涂層，一般都是由多相合金材料構(gòu)成，或是由合金材料、金屬間化合物，陶瓷形成的多相復(fù)合涂層，由于涂層中各相電化學(xué)特性的不同，在高溫下很容易形成電化學(xué)腐蝕或局部腐蝕，加速了涂層的破壞失效，不能夠很好的滿足工業(yè)需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題，提供一種單相層狀分布Ni(Fe)-Al系金屬間化合物涂層的制備方法，通過該方法將金屬間化合物以表面涂層的方式應(yīng)用解決目前金屬間化合物的不足，制備出含有高溫耐磨蝕性金屬間化合物涂層的材料或零部件。
技術(shù)方案采用熱噴涂加高溫冶金擴散法。具體步驟是1、基體金屬材料先經(jīng)過表面凈化，噴砂處理，獲得活性表面；2、利用電弧噴涂設(shè)備在金屬材料基體上噴涂純鋁，獲得純鋁涂層，厚度在2～3mm之間；3、利用水玻璃和SiO2鈾料在鋁涂層表面封閉一密封外殼；4、作進一步的表面凈化處理，然后放入高溫電爐進行高溫冶金擴散反應(yīng)，擴散溫度在850～950℃之間，擴散時間為2～5hr；5、停爐后材料隨爐冷卻至250～300℃，再出爐空冷，獲得具有優(yōu)異耐腐蝕性能的單相層狀分布Ni(Fe)-Al系金屬間化合物涂層。
在工業(yè)中普遍應(yīng)用的高溫結(jié)構(gòu)材料，為鐵基或鎳基高溫合金，根據(jù)鐵鋁或鎳鋁合金相圖，F(xiàn)e、Ni元素和Al元素在高溫下均能夠化合形成Ni(Fe)-Al系金屬間化合物相，如FeAl、Fe2Al5、NiAl、Ni3Al等，且反應(yīng)為放熱的自發(fā)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，可通過控制反應(yīng)溫度和時間，形成層狀分布的金屬間化合物涂層。
該發(fā)明積極效果是1、涂層中金屬間化合物呈單相層狀分布，耐腐蝕性能非常優(yōu)異，該類涂層尤其適用于普通材料難于承受的超高溫(1300℃)和強氧化性氛圍工礦環(huán)境。2、該方法將材料制備與涂層制備結(jié)合在一起進行，涂層和基體為擴散結(jié)合，且抗氧化性元素Al從表層到基體含量逐漸降低，呈梯度過渡，即確保了涂層的耐腐蝕性能，又實現(xiàn)了涂層和基體材料的熱應(yīng)力匹配。3、將Ni(Fe)-Al系金屬間化合物材料以涂層的方式應(yīng)用，避免了傳統(tǒng)金屬間化合物的不足擴大該類材料的應(yīng)用范圍，開辟了其進入工業(yè)應(yīng)用的新途徑，同時又有效解決了工業(yè)生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)材料的高溫耐腐蝕及磨損問題，延長了此類材料的使用壽命。4、涂層制備工藝簡單，成本較低，推廣應(yīng)用前景廣闊。


圖1為在GH3030鎳基高溫合金基體上采用該方法獲得的Ni-Al系金屬間化合物涂層顯微組織圖；圖2為在GH3030高溫合金基體上采用該方法所得Ni-Al系金屬間化合物的高溫氧化增重和氧化時間的關(guān)系圖；圖3為在0Cr25Ni20鐵基高溫合金上采用該方法獲得的Fe-Al系金屬間化合物涂層顯微組織圖；具體實施方式
下面以在GH3030鎳基材料制成的熱電偶保護套管上制備Ni-Al系金屬間化合物涂層為例說明制備方法。
1、將GH3030鎳基高溫合金熱電偶保護套管表面凈化后噴砂處理，獲得活性表面；2、用電弧噴涂設(shè)備在套管上面噴涂2mm的純鋁；3、在純鋁涂層上澆注一層水玻璃和SiO2釉料形成密封外殼；4、將密封外殼作進一步凈化處理，再放入高溫爐進行高溫冶金擴散反應(yīng)，擴散溫度950℃；5、擴散4.5小時后停爐，讓保護套管在爐內(nèi)慢慢冷卻，當爐溫降到250℃時取出，在空氣中自然冷卻即成。
將該熱電偶保護套管在乙烯裂解爐上應(yīng)用，使用壽命由原來的10～15天延長到5個月以上。
從圖1看出用該方法獲得的Ni-Al系金屬間化合物涂層顯微組織非常明顯，A區(qū)為Ni2Al3和Al2Cr3等富鋁相組織，B區(qū)為NiAl相組織，C區(qū)為Ni3Al相組織，D區(qū)為基體組織。圖2表明三組試樣500h靜態(tài)氧化增重速率分別為0.021、0.018、0.028g/m2·h，結(jié)果表明抗氧化性能極為優(yōu)異。
用同樣的方法在0Cr25Ni20鐵基高溫合金上可獲得Fe-Al系金屬間化合物涂層。
從圖3看出，在0Cr25Ni20鐵基高溫合金上采用該方法獲得的Fe-Al系金屬間化合物涂層顯微組織也非常明顯，E區(qū)為Al2Cr相，F(xiàn)區(qū)所示主要為FeAl和NiAl相，G區(qū)所示為Fe3Al相，H區(qū)所示為基體奧氏體相。
權(quán)利要求
1.一種Ni(Fe)-Al系金屬間化合物涂層制備方法，其特征是包括以下步驟(1)基體金屬材料先經(jīng)過表面凈化，噴砂處理，獲得活性表面；(2)利用電弧噴涂設(shè)備在基體金屬材料表面噴涂2～3mm的純鋁涂層；(3)在純鋁涂層上澆注一層水玻璃和SiO2釉料形成密封外殼；(4)作進一步的表面凈化處理，然后放入高溫電爐進行高溫冶金擴散反應(yīng)，擴散溫度為850～950℃，擴散時間為2～5hr；(5)停爐后材料隨爐冷卻至250～300℃，再出爐空冷，獲得單相層狀分布Ni(Fe)-Al系金屬間化合物涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Ni(Fe)－Al系金屬間化合物涂層制備方法，它采用熱噴涂加高溫冶金擴散法，就是基體金屬材料經(jīng)過表面凈化、噴砂處理，噴涂純鋁之后，利用水玻璃和SiO
文檔編號C23C4/02GK1641061SQ20051004232
公開日2005年7月20日 申請日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者孫宏飛, 王燦明, 宋強, 萬殿茂 申請人:山東科技大學(xué)