專利名稱：一種復(fù)相陶瓷涂層的自反應(yīng)電弧噴涂制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)相陶瓷涂層的反應(yīng)合成制備技術(shù)，特別適用于金屬零部件表面耐磨損防護(hù)涂層的制備。
背景技術(shù)：
電弧噴涂技術(shù)是熱噴涂技術(shù)中成本最低、最適宜大面積推廣的一種。然而，電弧噴涂的原理決定了其最初只能用來噴涂可導(dǎo)電的低熔點(diǎn)金屬絲材，而難以直接獲得具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨、不導(dǎo)電等特性的高性能陶瓷涂層。20世紀(jì)70年代末，粉芯絲材的出現(xiàn)給電弧噴涂技術(shù)帶來了生機(jī)。與實(shí)芯絲材相比，電弧噴涂粉芯絲材兼具外皮與內(nèi)芯兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，既克服了高合金或金屬間化合物成分難以拔絲的困難，又能使不導(dǎo)電的陶瓷顆粒材料填充到粉芯絲材中，使電弧噴涂技術(shù)成功應(yīng)用于陶瓷、金屬陶瓷及金屬間化合物涂層的制備，拓寬了電弧噴涂涂層材料的應(yīng)用領(lǐng)域，推動了電弧噴涂技術(shù)的快速發(fā)展。 然而，目前電弧噴涂陶瓷涂層多采用直接在粉芯絲材內(nèi)填充噴涂陶瓷材料的方法制備，噴涂過程中存在陶瓷材料難以完全熔化、陶瓷相分布不均勻、涂層層間結(jié)合弱等突出問題，使涂層性能受到重要的不利影響；或者在金屬、合金中添加少量反應(yīng)組元，噴涂過程中通過反應(yīng)合成陶瓷相來獲得硬質(zhì)相顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，以提高涂層的耐磨、耐高溫等性能，但由于陶瓷相含量較少，涂層的綜合性能，尤其是耐高溫磨損性能仍無法與以陶瓷為主體的陶瓷基復(fù)合涂層相媲美。自蔓延高溫合成技術(shù)是利用反應(yīng)原料自身燃燒反應(yīng)放出的熱量使化學(xué)反應(yīng)過程自發(fā)持續(xù)進(jìn)行，以獲得具有指定成分與結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的一種新型材料合成技術(shù)。它具有工藝、設(shè)備簡單，成本低；能耗和原材料消耗少；反應(yīng)溫度高，產(chǎn)物純度高；能夠充分利用原位復(fù)合等優(yōu)點(diǎn)，特別適于制備陶瓷、金屬陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料等具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度特征的材料。本發(fā)明通過制備自反應(yīng)型復(fù)合粉芯絲材，將自蔓延高溫合成技術(shù)與電弧噴涂技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)立自反應(yīng)電弧噴涂技術(shù)，利用低成本電弧噴涂設(shè)備和廉價原材料制備高性能復(fù)相陶瓷涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是創(chuàng)立一種利用低成本設(shè)備與廉價原材料獲得高性能復(fù)相陶瓷涂層的涂層制備技術(shù)。其具體思想是，選擇適宜的金屬外皮材料，其內(nèi)包裹一種SHS體系的反應(yīng)型藥芯，制備粉芯絲材用以自反應(yīng)電弧噴涂，噴涂過程中通過電弧引燃噴涂體系的高放熱SHS反應(yīng)，在快速生成目標(biāo)陶瓷相的同時，利用電弧能量與SHS反應(yīng)放熱獲得高溫陶瓷熔體，并在高壓霧化氣體作用下鋪展于金屬基體表面，利用高溫陶瓷熔體的快速凝固特征，獲得具有微納米晶結(jié)構(gòu)特征的高性能復(fù)相陶瓷涂層。本發(fā)明的關(guān)鍵是通過制備自反應(yīng)型粉芯絲材，將自蔓延高溫合成這一低成本陶瓷合成技術(shù)與電弧噴涂這一傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)立了自反應(yīng)電弧噴涂復(fù)相陶瓷涂層技術(shù)，使陶瓷材料的原位合成與陶瓷涂層的制備在一個連續(xù)、完整的工序中完成。本發(fā)明在復(fù)相陶瓷涂層的制備過程中，充分利用了自蔓延高溫合成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過電弧熱能引燃噴涂體系中各組元間的高放熱化學(xué)反應(yīng)，使其SHS反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)絕熱燃燒溫度高，并能獲得高熔點(diǎn)陶瓷液相；所制備的陶瓷涂層是原位合成的，在成分與相結(jié)構(gòu)上與原始材料完全不同，從而實(shí)現(xiàn)利用低成本設(shè)備與廉價原材料制備高性能復(fù)相陶瓷涂層。利用該方法制備的復(fù)相陶瓷涂層致密度高，強(qiáng)度、硬度高，耐磨損、耐高溫和耐腐蝕性好。此外，本發(fā)明設(shè)備、工藝簡單，成本低，適用面廣。本發(fā)明所涉及的方法可應(yīng)用于軍事和民用工業(yè)裝備中承受磨損、腐蝕和高溫環(huán)境的裝備零部件表面強(qiáng)化與防護(hù)。
具體實(shí)施方式

本發(fā)明用于制備復(fù)相陶瓷涂層的工藝流程為確定噴涂體系成分配比一反應(yīng)物料的預(yù)處理一自反應(yīng)型粉芯絲材的制備一待噴涂基體表面預(yù)處理一自反應(yīng)電弧噴涂工藝參數(shù)設(shè)定一自反應(yīng)電弧噴涂一獲得復(fù)相陶瓷涂層一后處理。下面以制備TiC-TiB2復(fù)相陶瓷涂層為例說明本發(fā)明的具體實(shí)施方法選用平均粒徑小于20 μ m的化學(xué)純Ti粉、平均粒徑小于5 μ m的B4C粉為反應(yīng)原料，以平均粒徑小于43 μ m的化學(xué)純Ni粉為金屬添加劑，將三者按一定比例置于砂磨機(jī)中，在酒精介質(zhì)中濕磨24小時，混合均勻后在100°C溫度下干燥，以鋁合金為金屬外皮，制備直徑3mm的自反應(yīng)型粉芯絲材。利用CMD-AS-3000電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行自反應(yīng)電弧噴涂，試驗(yàn)時工藝參數(shù)為噴涂電壓28V，噴涂電流180A，空氣壓力O. 5MPa，噴涂距離160mm。本發(fā)明制備的復(fù)相陶瓷涂層的相組成和性能如下涂層由TiC, Ti (C，N)、TiB2' Al2O3' (AlNi)及(Ti，Al)等多相組成；陶瓷涂層的孔隙率為4. 2%，平均維氏顯微硬度為Ηνα21680，ΜΜ-200型磨損試驗(yàn)機(jī)測試磨損率為8. 53 X 10Vkgf ·千轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)相陶瓷涂層的自反應(yīng)電弧噴涂制備方法，其特征在于用普通電弧噴涂設(shè)備，噴涂包覆有自蔓延高溫合成反應(yīng)(SHS)特征的復(fù)合體系的粉芯絲材。噴涂過程中，以電弧熱能引燃復(fù)合體系的SHS反應(yīng)，在生成目標(biāo)陶瓷相的同時，利用電弧熱能與SHS反應(yīng)放熱使合成產(chǎn)物熔融，在霧化氣體壓力作用下，熔融產(chǎn)物高速沉積于金屬基體上，獲得以陶瓷相為主體的復(fù)相涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)相陶瓷涂層制備方法，其特征在于將自蔓延高溫合成技術(shù)與電弧噴涂技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，將陶瓷材料的原位合成與陶瓷涂層的制備統(tǒng)一在一個連續(xù)、完整的工序中，從而實(shí)現(xiàn)利用電弧噴涂方法制備以陶瓷相為主體的復(fù)相涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)相陶瓷涂層制備技術(shù)，其特征在于復(fù)相陶瓷為原位合成，即所獲得的復(fù)相陶瓷涂層在組織與結(jié)構(gòu)上與噴涂原料完全不同，它是噴涂材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成的新相。根據(jù)這一特征，可利用低成本原材料制備高性能復(fù)相陶瓷涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I和權(quán)利要求3所述的陶瓷涂層制備技術(shù)，其特征在于用于包裹粉芯的金屬外皮材料可以作為反應(yīng)組元之一參與體系的SHS反應(yīng)，且其反應(yīng)產(chǎn)物為有益于提高復(fù)相涂層綜合性能的陶瓷相。根據(jù)這一特征，可利用該方法制備具有高陶瓷相含量的復(fù)相陶瓷涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)相陶瓷涂層的原位反應(yīng)合成制備方法。選擇適宜的金屬外皮材料，其內(nèi)包裹一種自蔓延高溫合成(SHS)體系的反應(yīng)型藥芯，制備粉芯絲材；利用電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行自反應(yīng)電弧噴涂，噴涂過程中通過電弧引燃噴涂體系的高放熱SHS反應(yīng)，在快速生成目標(biāo)陶瓷相的同時，利用電弧能量與SHS反應(yīng)放熱獲得高溫陶瓷熔體，并以高壓霧化氣體使其鋪展于金屬基體表面，利用高溫陶瓷熔體的快速凝固特征，獲得具有微納米晶結(jié)構(gòu)特征的高性能復(fù)相陶瓷涂層。本發(fā)明設(shè)備簡單，成本低，適用面廣，可應(yīng)用于軍事和民用工業(yè)裝備中承受磨損、腐蝕和高溫環(huán)境的零部件表面強(qiáng)化與防護(hù)。
文檔編號C23C4/10GK102877018SQ20111019324
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者劉宏偉, 孫曉峰, 邱驥, 陸大勤 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院