專利名稱：一種(FeAl＋Cr₇C₃)/γ-(Fe,Ni)復(fù)合涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面涂層技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬間化合物復(fù)合涂層及其制備方法。
技術(shù)背景FeAl金屬間化合物具有許多優(yōu)異的性能，包括熔點(diǎn)高，密度低，熱傳導(dǎo)性能好以及優(yōu) 異的抗氧化性能，是潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是其廣泛的工業(yè)化應(yīng)用還存在以下問題。一 是室溫脆性和低的屈服強(qiáng)度，限制了FeAl金屬間化合物在室溫下的加工性能。眾多的研究 者在這方面開展了研究工作，據(jù)材料熱處理學(xué)報(2007， Vol. 28， No.4，P16 21)的報道， 采用熱壓燒結(jié)的方法提高了FeAl金屬間化合物的室溫力學(xué)性能；清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué) 版)(2004， Vol. 44， No. 5， P 585-588)報道，在45鋼的表面預(yù)涂純A1粉,用光束合金化 的方法合成了具有分層特征的Fe/Al化合物涂層，存在組織梯度過渡特點(diǎn)，從而提高了其綜 合力學(xué)性能。昆明理工劉安強(qiáng)(熱加工工藝，2006， Vol. 35， No. 20， P26-42)采用機(jī)械 合金化和真空燒結(jié)的方法制備FeAl合金，獲得了良好的室溫力學(xué)性能。有關(guān)這方面的研究 還有很多，但是富有成效的比較少，并且所采用方法的共同點(diǎn)就是制備條件比較苛刻，設(shè) 備復(fù)雜，能耗高，生產(chǎn)周期長。這些較高的成本不能滿足FeAl材料的工業(yè)化需求。另外， 目前大多數(shù)研究都是針對制備FeAl整體材料，對FeAl金屬間化合物涂層的制備研究較少， 而這種整體材料往往不能滿足使用要求，這是因為在很多的工況條件下，需要材料的表面 高硬度和內(nèi)部韌性的配合。這在一定程度上加快了涂層技術(shù)的發(fā)展。目前制備FeAl金屬間 化合物的涂層技術(shù)主要有熱噴涂和激光熔覆，熱噴涂涂層結(jié)合性不好，涂層孔隙率較大； 而激光熔覆的大型激光器成本昂貴，不利于工業(yè)化應(yīng)用。等離子熔覆技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種表面涂層技術(shù)，高能等離子束流能量高，穩(wěn) 定性好，可在大氣中操作，采用同步送粉方式，并且在等離子熔覆過程中不受組成物的相 溶性、熔點(diǎn)、密度等性質(zhì)的限制，利用任意粉末的任意配比，獲得通常冶金方法不能得到 的合金層，即^"料在冶金反應(yīng)前后是A—B,或A+B—C，或A+B—C+D等(當(dāng)然也包括A —A，或A+B—A+B)，為原位生成金屬間化合物提供了充足的條件，并且在高能束流作用 下，粉末和基體表層同時熔化，冶金層與基體達(dá)到冶金結(jié)合狀態(tài)。等離子熔覆設(shè)備不需真 空系統(tǒng)，造價僅為同功率激光熔覆設(shè)備的1/5 1A0，生產(chǎn)效率高，操作維護(hù)簡便。但是 目前在等離子熔覆涂層的制備開發(fā)方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，等離子熔覆技術(shù)在涂層的制備方面僅限于Fe基、Ni基等常規(guī)涂層，難以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種(FeAI+Cr7C3)/Y-(Fe,Ni)復(fù)合涂層的制備方法，將FeAI金 屬間化合物和Cr7C3硬質(zhì)相引入涂層中，并與韌性相Y-(Fe，Ni)復(fù)合，有效提高金屬間化 合物復(fù)合材料的力學(xué)性能，拓寬金屬間化合物的應(yīng)用領(lǐng)域。所采用的等離子熔覆技術(shù)，可 以克服原有制備金屬間化合物涂層技術(shù)涂層熱應(yīng)力大、與基體結(jié)合力較差、成本昂貴等不 足。本發(fā)明(FeAl+Cr7C3) / y - (Fe, Ni)復(fù)合涂層的制備工藝為將基體材料放置于等離子熔 覆工作臺上，與等離子矩的距離為27 30mra;在鐵基合金粉末體系的基礎(chǔ)上，添加重量 百分比為10 15%的Al203粉末，將粉末球磨30 60min，使粉末充分混合配制成涂層材 料；將涂層材料裝入等離子熔覆設(shè)備的送粉器中，設(shè)定等離子熔覆工藝參數(shù)為工作電流 250 300A，掃描速度350 400mm/min，送粉氣(Ar): 0.4 0.8m7h，等離子氣(Ar): 0.4 0.8 mVh，保護(hù)氣(Ar): 0.4 0.8 m7h。啟動開關(guān)，進(jìn)行等離子熔覆涂層的制備。 待涂層冷卻后，砂輪磨掉表面氧化皮等雜質(zhì)，獲得無氣孔、無裂紋、光亮、致密的 (FeAl+Cr7C3) / y - (Fe， Ni)的復(fù)合涂層。所述基體材料為低碳鋼，厚度為5 10mm。所述鐵基合金粉末的合金元素重量百分比為Cr 30.0 35.0%、 Ni 4. 5 5. 5%、 Mo 3. 0 4. 5%、 B 2. 0 3. 5%、 Si 3. 5 5. 0%、 Fe余量。 所述粉末粒度范圍為106 180微米。本發(fā)明是從涂層材料出發(fā)，在制備FeAl金屬間化合物時，在鐵基合金粉末體系的基 礎(chǔ)上添加一定量的A1A粉末，均勻混合作為涂層材料。在等離子熔覆過程中，A1A和合 金元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位生成FeAl金屬間化合物、硬質(zhì)相Cr7C3和延展性好的y-(Fe， Ni)，如圖1所示，由此獲得晶粒細(xì)小、成分均勻的快速凝固組織；涂層硬度高，耐磨性 能和抗高溫氧化性能優(yōu)良。對涂層的組織結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，涂層組織為晶粒細(xì)小，成分均勻，F(xiàn)eAl和Cr7C3彌散分 布的快速凝固組織，其中FeAl金屬間化合物和碳化物Cr7C3相依生長。涂層的顯微硬度約 為HV。.2900 1100，在SRV高溫摩擦磨損試驗機(jī)上分別進(jìn)行常溫和500 。C的磨損試驗，在 常溫和高溫的摩擦系數(shù)分別為0. 35和0. 3左右，無論在常溫還是在高溫都具有優(yōu)良的耐 磨損性能。在高溫電阻爐中進(jìn)行700 。C高溫循環(huán)氧化，每隔10h取出稱量一次，試驗表 明，在開始的10小時，氧化增重比較快，增重率為0.0152 0.0203mg'cm—、h—'，涂層表面形成致密的氧化膜，阻礙涂層的進(jìn)一步氧化，之后氧化增重比較緩慢，增重率為 0. 0040 0. 0086 mg , cnf2 h-1。抗高溫氧化性能優(yōu)異。


圖1 (FeAl+Cr7C3) / y - (Fe, Ni)復(fù)合涂層XRD圖譜； 圖2實例1 (FeAl+Cr7C3) / y _ (Fe, Ni)復(fù)合涂層組織形貌； 圖3實例2 (FeAl+Cr7C3) / y - (Fe, Ni)復(fù)合涂層組織形貌； 圖4實例3(FeAl+Cr7C3)/ y -(Fe， Ni)復(fù)合涂層組織形貌。
具體實施方式
實例1.稱取200g涂層材料，其中各成分含量為Cr 60g， Ni 10g, Mo 8g， B 6g, Si 8g， Fe 88g和A1203 20g。將合金粉末放入低溫球磨儀中球磨30min，粉末粒度范圍為106 180 微米，使其充分混合，配制涂層材料。將涂層材料裝入等離子熔覆設(shè)備的送粉器中，設(shè)定 等離子熔覆工藝參數(shù)為工作電流280 A,掃描速度380畫/min，送粉氣(Ar): 0. 6mVh， 等離子氣(Ar): 0.6mVh，保護(hù)氣(Ar): 0.6m7h;將低碳鋼板切割成150mm X IOO咖 大小、厚度為6mm的試塊作為基體，放到等離子炬正下方30mm處的工作臺上；準(zhǔn)備就緒 后，啟動等離子熔覆設(shè)備，制備復(fù)合涂層。熔覆完畢，等涂層冷卻后，用砂輪磨掉涂層表 面的氧化皮、熔渣，獲得平整、光亮、無缺陷的涂層。涂層中晶粒細(xì)小，成分均勻，為 FeAl和Cr7C3彌散分布的快速凝固組織，如圖2所示；能譜分析復(fù)合涂層的成分(重量百 分比)為Cr 31.5%-Fe 44. 2%-Ni 5.2%-Mo 3. 4%-Si 3. 5%-Al 12.2%。涂層的顯微硬度約為HV。.21000，其常溫和高溫的摩擦系數(shù)分別約為0.35和0.3，具 有優(yōu)良的耐磨損性能。700。C高溫循環(huán)氧化試驗表明，在氧化初始的10h，氧化增重率為 0.018mg，cm—2*h—'，涂層表面形成致密的氧化膜，當(dāng)高溫氧化進(jìn)行到100h時，其增重率 為0. 005 mg cm—2 h-1?？垢邷匮趸阅軆?yōu)異。實例2.稱取200g涂層材料，其中各成分含量為Cr 65g, Ni 10g, Mo 8g, B 6g, Si 8g， Fe 73g和AlA30g。將合金粉末放入低溫球磨儀中球磨40min，使其充分混合，配制成涂層 材料。將混合均勻的涂層材料裝入等離子熔覆設(shè)備的送粉器中，設(shè)定等離子熔覆工藝參數(shù) 為工作電流300 A，掃描速度400鵬/min，送粉氣(Ar): 0. 5mVh，等離子氣(Ar): 0. 5mVh， 保護(hù)氣(Ar): 0.5mVh;將Q235鋼板切割成150mm X IOO咖大小、厚度為8咖的試塊， 作為基體，放到等離子炬正下方30mm處的工作臺上；準(zhǔn)備就緒后，啟動等離子熔覆設(shè)備， 制備復(fù)合涂層。熔覆完畢，等涂層冷卻后，用砂輪磨掉涂層表面的氧化皮、熔渣，獲得光 亮的涂層。涂層組織為晶粒細(xì)小，成分均勻，F(xiàn)eAl和Cr7C3彌散分布的快速凝固組織，如圖3所示；能譜分析復(fù)合涂層的成分(重量百分比)為Cr32.5%-Fe41.2%-Ni4.5%-Mo 3.2%-Si 3.4%-Al 15.2。/。涂層的顯微硬度可達(dá)HV。.21100，其常溫和高溫的摩擦系數(shù)分別約 為0.35和0.3，具有優(yōu)良的耐磨損性能。700 。C高溫循環(huán)氧化試驗表明，在氧化初始的 10h，氧化增重率0.015 mg* cm—2'h—1，涂層表面形成致密的氧化膜，當(dāng)高溫氧化進(jìn)行到 100h時，其增重率為0. 004 mg cm—2 h—1。抗高溫氧化性能優(yōu)異。實例3.稱取200g涂層材料，其中各成分含量為Cr 65g， Ni 10g， Mo 8g, B 6g, Si 8g， Fe 79g和AlA24g。將合金粉末放入低溫球磨儀中球磨60min，使其充分混合。將涂層材料 裝入等離子熔覆設(shè)備的送粉器中，設(shè)定等離子熔覆工藝參數(shù)為工作電流300 A，掃描速 度400mm/min，送粉氣(Ar): 0. 6m3/h，等離子氣(Ar): 0. 6mVh，保護(hù)氣(Ar): 0. 6mVh; 將Q235鋼板切割成150mm X 100mm大小、厚度為9mm的試塊，作為金屬間化合物復(fù)合涂 層的基體材料，放到等離子炬正下方30mm處的工作臺上；準(zhǔn)備就緒后，啟動等離子熔覆 設(shè)備，制備復(fù)合涂層。熔覆完畢，等涂層冷卻后，用砂輪磨掉涂層表面的氧化皮、熔渣， 獲得光亮的涂層。涂層組織為晶粒細(xì)小，成分均勻，F(xiàn)eAl和Cr7C3彌散分布的快速凝固組 織，如圖4所示；能譜分析復(fù)合涂層的成分(重量百分比)為Cr 31. 5%-Fe 43. 2%-Ni 4. 8 %-Mo 3. 4°/。-Si 3. 5%-Al 13.5%。涂層的顯微硬度約為HV。.2980，其常溫和高溫的摩擦系數(shù) 分別約為0.35和0.3，具有優(yōu)良的耐磨損性能。700 。C高溫循環(huán)氧化試驗表明，在氧化 初始的10h,氧化增重率0. 020 mg cm—2 h—、并且涂層表面形成致密的氧化膜，當(dāng)高溫 氧化進(jìn)行到lOOh，其增重率為0. 007 mg cm—2 h—、抗高溫氧化性能優(yōu)異。
權(quán)利要求
1、一種(FeAl+Cr7C3)/γ-(Fe，Ni)復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于將基體材料放置于等離子熔覆工作臺上，與等離子矩的距離為27～30mm；在鐵基合金粉末體系的基礎(chǔ)上，添加重量百分比為10～15％的Al2O3粉末，將粉末球磨30～60min，使粉末充分混合配制成涂層材料；將涂層材料裝入等離子熔覆設(shè)備的送粉器中，等離子熔覆工作電流250～300A，掃描速度350～400mm/min，送粉氣0.4～0.8m3/h，等離子氣0.4～0.8m3/h，保護(hù)氣0.4～0.8m3/h。
2、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述基體材料為低碳鋼，厚度為5 10mm。
3、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鐵基合金粉末的合金元素重量 百分比為Cr 30. 0 35. 0%、 Ni 4. 5 5. 5%、 Mo 3. 0 4. 5%、 B 2. 0 3. 5%、 Si 3. 5 5. 0%、Fe余量。
4、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述粉末粒度范圍為106 180微米。
5、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，送粉氣、等離子氣、保護(hù)氣均使用 氬氣。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)復(fù)合涂層的制備方法，將低碳鋼作為基體材料放置于等離子熔覆工作臺上，與等離子矩的距離為27～30mm；在鐵基合金粉末體系的基礎(chǔ)上，添加重量百分比為10～15％的Al₂O₃粉末，將粉末球磨30～60min，使粉末充分混合配制成涂層材料；將涂層材料裝入等離子熔覆設(shè)備的送粉器中，進(jìn)行等離子熔覆涂層的制備。設(shè)定等離子熔覆工藝參數(shù)為工作電流250～300A，掃描速度350～400mm/min，送粉氣(Ar)0.4～0.8m³/h，等離子氣(Ar)0.4～0.8m³/h，保護(hù)氣(Ar)0.4～0.8m³/h。本發(fā)明制備的涂層晶粒細(xì)小，成分均勻，涂層硬度高，耐磨性能和抗高溫氧化性能優(yōu)異。
文檔編號C23C24/10GK101245461SQ20081010225
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者俞宏英, 孫冬柏, 孟惠民, 張麗民, 樊自栓, 王旭東 申請人:北京科技大學(xué)