專利名稱：一種制備陶瓷-金屬復合材料熔覆層的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于表面處理技術領域，特別是提供了一種制備陶瓷-金屬復合材料熔覆 層的方法。適用于在金屬構件表面、特別是火電廠鍋爐四管所用鋼管外表面制備具 有冶金結合的耐磨、耐高溫腐蝕熔覆層。
背景技術：
通過在金屬構件表面制備合金、陶瓷-金屬復合材料涂層可以提高金屬構件的抗 磨、耐高溫腐蝕性能，目前已有的技術包括熱噴涂、冷噴涂、氣相沉積等。氣相沉 積技術存在的主要問題是沉積速度慢、涂層薄， 一般只能得到幾至幾十微米的涂 層；難以在諸如鍋爐四管等大尺寸構件表面制備涂層。電弧噴涂、等離子噴涂、高
速氧燃料噴涂(HVOF)等熱噴涂技術的特點是噴涂效率高，可以在鍋爐四管等大尺
寸金屬構件外表面制備合金涂層或陶瓷-金屬復合材料涂層，涂層厚度可達幾百微米 至毫米級，但現(xiàn)有熱噴涂技術制備的涂層與基體為機械結合或半冶金結合，涂層與
基體結合強度遠低于基體材料強度，涂層孔隙率一般為1-15 %;上述涂層存在的結 合強度低、孔隙率高等問題使涂層的耐磨、耐蝕和耐沖擊性能受到較大的限制。
近年來， 一些研究人員在利用激光重熔處理技術來改善涂層性能方面取得了較 大進展，但激光重熔處理技術存在設備昂貴、熔覆層厚度一般僅幾百微米以及表面 裂紋難以控制等局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備陶瓷-金屬復合材料熔覆層的方法，解決了熱噴 涂法制備的涂層所存在的結合強度低、孔隙率高等問題。
本發(fā)明對涂層、重熔層、熔覆層的定義如下涂層為熱噴涂制備的預涂層(未 經(jīng)過微束等離子弧重熔)；重熔層為涂層及部分基體材料在微束等離弧作用下熔化 后并由基體自激冷作用而凝固形成的結晶層；熔覆層為涂層在微束等離弧作用下熔 化后并由基體自激冷作用而凝固形成的結晶層(不包括經(jīng)過重熔后的基體材料)， 并近似定義熔覆層厚度等于涂層厚度(忽略了重熔后所形成熔覆層的孔隙率低于涂 層孔隙率以及熔覆層與基體結合界面處少量陶瓷相向基體擴散的細微影響)。
本發(fā)明開發(fā)了一種在金屬構件表面制備具有冶金結合的耐磨、抗高溫腐蝕陶瓷-金屬復合材料熔覆層的生產(chǎn)方法，特別是在火電廠鍋爐四管所用鋼管外表面制備耐 磨、抗高溫腐蝕熔覆層的方法，其關鍵技術是通過微束等離子弧對陶瓷-金屬復合材 料涂層的重熔，使熔覆層與基體達到冶金結合，熔覆層致密、孔隙率為0-0.1 %，熔 覆層無裂紋缺陷，熔覆層厚度為200-1500pm。如需制備厚度大于1500 pm的熔覆層， 則可采用與上述方法相同的步驟制備2層及以上的多層熔覆層。
微束等離子弧是等離子弧中的一種，微束等離子焊槍是一種小電流(通常小于30 A)熔入型焊接工藝， 一般采用小孔徑壓縮噴嘴及聯(lián)合型電弧。即焊接時存在兩個電
弧， 一個是燃燒于電極與噴嘴之間的非轉(zhuǎn)移弧，另一個為燃燒于電極與焊件之間的 轉(zhuǎn)移弧，前者起著引弧和維弧作用，后者用于熔化工件。微束等離子弧溫度在 10000-20000 'C之間，可以熔化所有合金和陶瓷材料。現(xiàn)有微束等離子弧主要用于工 件的焊接。
本發(fā)明利用微束等離子弧的弧束熱量集中、弧柱穩(wěn)定性好、熱影響區(qū)小等優(yōu)點， 對涂層進行重熔。對于厚度小于600 pm的涂層，等離子弧電流為10-30A，而對于厚 度為600-1500pm的涂層，等離子弧電流為25-60A。本發(fā)明的優(yōu)點是通過調(diào)節(jié)等離 子弧電流和等離子槍與工件相對運動速度，可使熔覆層厚度為200-150(Hmi;重熔時 對基材熱影響區(qū)小，對于基材厚度大于2mm的構件便可進行涂層的重熔處理；等離 子弧長在較大的范圍內(nèi)變化時，也不會斷弧，并能保持柱狀特征，對基材熱影響區(qū) 小。
與熱噴涂制備的涂層相比，微束等離子弧制備的熔覆層的顯微結構為快速凝固 的結晶型組織，熔覆層與基體達到冶金結合，其結合強度為熱噴涂涂層結合強度的4 倍以上，而熱噴涂法制備的涂層為較高孔隙率的燒結型層狀組織。對于同種涂層材 料，在三體磨粒磨損的實驗條件下，熔覆層的相對耐磨性為熱噴涂涂層的2-4倍。
本發(fā)明具體包括如下步驟
1、 對金屬構件表面(材料可以為碳鋼、合金鋼、高溫合金、變形鋁合金等)進 行清洗除油和噴砂，使其表面毛化。
2、 用電弧噴涂(噴涂材料為粉芯絲)或等離子噴涂(噴涂材料為粉末)制備陶 瓷-金屬復合材料涂層；噴涂材料中含有至少兩種如下的陶瓷粉末，陶瓷粉末具體包 括CrB、 Cr3C2、 TiC、 WC、 TiB2、 FeB、 Fe2B，陶瓷粉末的質(zhì)量分數(shù)為10-50 %; 噴涂材料中所包含的金屬材料可以是鐵基合金、鎳基合金(如1Crl8Ni9Ti、 Ni80Cr20 等)。根據(jù)對金屬構件耐磨、耐腐蝕壽命的需要，涂層厚度可在200-1500 iam范圍內(nèi) 選取。
3、 利用微束等離子弧槍對涂層進行掃描重熔，其工藝參數(shù)為微束等離子弧槍 壓縮噴嘴直徑為0.6-1.3 mm，離子氣流量為0.08-0.2L (升)/min,保護氣流量為2-3 L (升)/min;對于厚度小于600nm的涂層，等離子弧電流為10-30 A，而對于厚度 為600-1500 ^rni的涂層，等離子弧電流為25-60 A。微束等離子弧槍頭部與涂層表面 距離為2-5mm，微束等離子弧槍與工件相對運動速度為2-8 mm/s，微束等離子弧槍 擺動寬度范圍為i(0-2)mm，微束等離子弧槍單道重熔寬度為2-5 mm。在等離子弧的 作用下，涂層及其與基體結合面處的基體材料達到熔點以上的溫度，在等離子弧離 開加熱區(qū)域后，熔體在基體的自激冷作用下凝固而形成結晶組織，使熔覆層與基體 達到冶金結合。按上述方法所制備的熔覆層厚度為200-1500pm。
如需制備厚度大于L5mm的熔覆層，則采用與上述步驟一至步驟三相同的方法 制備多次噴涂-熔覆層。即對熔覆層表面進行清洗和噴砂后，在熔覆層表面利用熱噴
涂法制備涂層，然后利用微束等離子弧熔覆設備對涂層進行掃描式重熔得到下一熔 覆層。將上述1 3步驟重復1 5次，獲得熔覆層厚度為1.5 6 mm。
應用本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)對熱噴涂制備的陶瓷-金屬復合材料涂層的重熔， 使熔覆層與基體達到冶金結合，熔覆層為快速凝固后致密的細小結晶組織，孔隙率 為0-0.1%，熔覆層無裂紋缺陷。單次熔覆層厚度為200-1500pm，大于激光熔覆層所 能達到的厚度。應用本發(fā)明的多次噴涂-重熔方法，可制備厚度達6mm的熔覆層。


圖l為微束等離子弧槍重熔涂層的原理圖。其中，金屬基體l、重熔層2、等離 子弧熔化區(qū)3、凝固過渡區(qū)4、未重熔的涂層5、基體材料6。 圖2為微束等離子弧槍搭接掃描路徑示意圖。
圖3為電弧噴涂涂層橫截面的低倍光學顯微鏡照片。其中，電弧噴涂涂層斷面7、 涂層與基體結合面8、基體9。
圖4為對涂層重熔后重熔層橫截面的低倍光學顯微鏡照片。其中，涂層重熔后 低倍組織IO、重熔層與未重熔區(qū)結合界面ll、基體12。
圖5為經(jīng)過化學侵蝕后電弧噴涂涂層橫截面的高倍光學顯微鏡照片。
圖6為熔覆層橫截面經(jīng)過化學侵蝕后的高倍光學顯微鏡照片。
圖7為未重熔涂層和熔覆層橫截面的顯微硬度曲線。
圖8為熔覆層與未重熔涂層的磨粒磨損特性對比結果。
具體實施例方式
實例1:制備厚度為1000pm的熔覆層(重熔層厚度為1030-1100pm)。金屬基 體為A3鋼平板，其厚度為6 mm。噴涂粉芯絲材料為復合粉末 (57%FeB+40%CrB+3%Si)在粉芯絲中的平均質(zhì)量分數(shù)為40%，粉芯絲外皮為Fe。 對鋼板進行除油、噴砂預處理，利用電弧噴涂在鋼板表面制備平均厚度為1000 pm 的涂層。微束等離子弧重熔參數(shù)為等離子弧槍壓縮噴嘴直徑1 mm，離子氣流量為 0.1L (升)/min，保護氣流量為2L (升)/min;等離子弧電流為40A。微束等離子 弧槍頭部與涂層表面距離為4 mm，微束等離子弧槍與工件相對運動速度為4 mm/s， 微束等離子弧槍擺動寬度范圍為±1 mm，微束等離子弧槍單道重熔寬度為4mm。重 熔掃描搭接率為30%,圖2為微束等離子弧槍搭接掃描路徑示意圖。圖3為電弧噴 涂涂層橫截面形貌的低倍光學顯微鏡照片，涂層為層狀結構，缺陷較多。圖4為對 涂層重熔后重熔層橫截面的低倍光學顯微鏡照片，重熔層為細小的結晶組織(約有 30-100um厚度的基體材料被重熔)，無裂紋、孔洞缺陷。圖5為電弧噴涂涂層橫截 面的高倍光學顯微鏡照片(用4y。硝酸酒精溶液侵蝕2s)，可清楚觀測到涂層為層狀 組織，存在裂紋、孔洞等缺陷。圖6為對涂層重熔后熔覆層橫截面的高倍光學顯微 鏡照片(用氫氟酸、硝酸水溶液侵蝕20s)，熔覆層主要為細小的胞狀等軸晶。
未重熔涂層、熔覆層顯微硬度對比曲線如圖7，從圖中可看出熔覆層顯微硬度明 顯高于涂層。熔覆層、未重熔涂層的磨粒磨損特性對比結果見圖8，實驗所用磨粒磨 損試驗機型號為MLS—225，實驗所用磨料為金剛砂，熔覆層的相對耐磨性為未重熔 涂層的3.28倍。
實例2:制備厚度為300 pm的熔覆層(重熔層厚度為350-400nm)，其工作溫 度為80(TC。金屬基體為0Crl9Ni9鋼管，其外徑為31 mm，厚度為3 mm。噴涂粉芯 絲材料為復合粉末(50%CrB+35%Cr3C2+12TiC+3%Si)在粉芯絲中的平均質(zhì)量分 數(shù)為35%，粉芯絲外皮為0Crl8Ni9Ti。對鋼管進行除油、噴砂預處理，利用電弧噴 涂在鋼管外表面制備厚度為300 pm的涂層。重熔時，微束等離子弧槍固定。利用附 加的機械運動裝置使管道作螺旋運動，管道運動參數(shù)為軸向移動速度7.5mm/min， 管道轉(zhuǎn)速4round/min。微束等離子弧重熔參數(shù)為等離子弧槍壓縮噴嘴直徑0.8 mm， 離子氣流量為0.12L (升)/min，保護氣流量為2.2 L (升)/min;等離子弧電流為 25 A。微束等離子弧槍頭部與涂層表面距離為4mm。
實例3:制備厚度為3mm的熔覆層(重熔層厚度為3.05-3.15mm)。金屬基體 為12CrMoV鋼平板，其厚度為20 mm。噴涂粉芯絲材料為復合粉末 (45%FeB+55%CrB)在粉芯絲中的平均質(zhì)量分數(shù)為42%,粉芯絲外皮為Fe。具體 工藝分為以下三步(1)對鋼板進行除油、噴砂預處理，利用電弧噴涂在鋼板表面 制備平均厚度為1000 pm的涂層。微束等離子弧重熔參數(shù)為等離子弧槍壓縮噴嘴 直徑1 mm，離子氣流量為0.15L (升)/min，保護氣流量為2.3 L (升)/min;等離 子弧電流為40A，微束等離子弧槍頭部與涂層表面距離為4mm，等離子弧槍與工件 相對運動速度為3.5 mm/s，微束等離子弧槍擺動寬度范圍為±1 mm，微束等離子弧槍 單道重熔寬度為4mm。重熔掃描搭接率為30%。從而制備出第一次熔覆層。(2) 對第一次熔覆層表面進行除油、噴砂預處理，利用電弧噴涂在第一次熔覆層表面制 備平均厚度為1200 pm的涂層。微束等離子弧重熔參數(shù)為等離子弧槍壓縮噴嘴直 徑l mm，離子氣流量為0.15L (升)/min，保護氣流量為2.3 L (升)/min;等離子 弧電流為45A，微束等離子弧槍頭部與涂層表面距離為4mm，微束等離子弧槍與工 件相對運動速度為3.5 mm/s，微束等離子弧槍擺動寬度范圍為±1 mm，微束等離子弧 槍單道重熔寬度為4mm。重熔掃描搭接率為30%。從而制備出第二次熔覆層。(3) 對第二次熔覆層表面進行除油、噴砂預處理，利用電弧噴涂在第二次熔覆層表面制 備平均厚度為800 pm的涂層。微束等離子弧重熔參數(shù)為等離子弧槍壓縮噴嘴直徑 lmm，離子氣流量為0.13L (升)/min,保護氣流量為2.2L (升)/min;等離子弧電 流為40A。微束等離子弧槍頭部與涂層表面距離為4mm,微束等離子弧槍與工件相 對運動速度為3.5 mm/s，微束等離子弧槍擺動寬度范圍為±1 mm，微束等離子弧槍單 道重熔寬度為4mm。重熔掃描搭接率為30%。從而制備出第三次熔覆層。
通過三次噴涂、三次重熔，得到總厚度為3mm的熔覆層。
權利要求
1、一種制備陶瓷-金屬復合材料熔覆層的方法，其特征在于，工藝為(1)對金屬構件表面進行清洗除油和噴砂，使其表面毛化；(2)利用電弧噴涂或等離子噴涂方法在金屬構件表面制備陶瓷-金屬復合材料涂層，涂層厚度為200-1500μm；(3)利用微束等離子弧槍對涂層進行掃描式重熔，其工藝參數(shù)為選用直徑為0.6-1.3mm的等離子弧槍壓縮噴嘴，離子氣流量為0.08-0.2升/min，保護氣流量為2-3升/min；對于厚度小于600μm的涂層，等離子弧電流為10-30A，而對于厚度為600-1500μm的涂層，等離子弧電流為25-60A；微束等離子弧槍頭部與涂層表面距離為2-5mm，微束等離子弧槍與工件相對運動速度為2-8mm/s，微束等離子弧槍擺動寬度范圍為±(0-2)mm，微束等離子弧槍單道重熔寬度為2-5mm，熔覆層厚度為200-1500μm；將上述(1)～(3)步驟重復1～5次，獲得熔覆層厚度為1.5～6mm。
2、 如權利l所述的方法，其特征在于用于電弧噴涂或等離子噴涂所用 的粉芯絲材或粉末噴涂材料中含有至少兩種如下的陶瓷粉末，陶瓷粉末包括: CrB、 Cr3C2、 TiC、 WC、 TiB2、 FeB、 Fe2B，陶瓷粉末在噴涂材料中的質(zhì)量分 數(shù)為10-50%。
3、 如權利l所述的方法，其特征在于金屬構件材料為碳鋼、合金鋼、 高溫合金、變形鋁合金。
全文摘要
一種制備陶瓷-金屬復合材料熔覆層的方法，屬于表面處理技術領域。工藝為對金屬構件表面進行清洗除油和噴砂，使其表面毛化；利用電弧噴涂或等離子噴涂方法在金屬構件表面制備陶瓷-金屬復合材料涂層；利用微束等離子弧槍對涂層進行掃描式重熔，參數(shù)選用直徑為0.6-1.3mm的等離子弧槍壓縮噴嘴，離子氣流量為0.08-0.2升/min，保護氣流量為2-3升/min；對于厚度小于600μm的涂層，等離子弧電流為10-30A，而對于厚度為600-1500μm的涂層，等離子弧電流為25-60A；微束等離子弧槍頭部與涂層表面距離為2-5mm，微束等離子弧槍與工件相對運動速度為2-8mm/s。優(yōu)點在于工藝簡單、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低、生產(chǎn)效率高。
文檔編號C23C4/04GK101186999SQ200710178958
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權日2007年12月7日
發(fā)明者侯世香, 劉宗德, 鐘穎虹 申請人:華北電力大學