專利名稱：一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工、冶金、機(jī)械、電力、化工等領(lǐng)域，尤其涉及一種既具有高溫耐磨損特性又具有耐腐蝕特性的以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
金屬或合金為粘結(jié)相與陶瓷顆粒組成的金屬陶瓷是目前廣泛應(yīng)用的整體耐磨材料和零件表面強(qiáng)化涂層材料之一，在礦山、石油鉆探等工程機(jī)械零部件及各類切削刀具中獲得廣泛應(yīng)用。但在高溫氧化、腐蝕及磨損條件下，傳統(tǒng)金屬陶瓷存在因其Co、M等粘結(jié)相抗腐蝕能力較低，而引起的抗高溫氧化-腐蝕磨損性能不足等問(wèn)題。金屬間化合物如i^Al、Fe3Al、NiAl、Ni3Al等熔點(diǎn)高、抗氧化、硫化及熔鹽腐蝕能力強(qiáng)，陶瓷材料如WC、TiC、TiB2等具有優(yōu)異的耐磨損性能，因此，以金屬間化合物為粘結(jié)相， 以陶瓷顆粒如WC、TiC等為硬質(zhì)相制備金屬間化合物基金屬陶瓷涂層，可將金屬間化合物的耐腐蝕、抗氧化性能與陶瓷相的高硬度和耐磨性結(jié)合起來(lái)，提高傳統(tǒng)金屬陶瓷如WC/Co、 TiC/Ni等的抗氧化、硫化腐蝕性能，同時(shí)改善金屬間化合物韌性和高溫蠕變強(qiáng)度不足等問(wèn)題，將為腐蝕磨損領(lǐng)域中使用的機(jī)械設(shè)備提供性能優(yōu)異的涂層材料。目前，制備金屬間化合物復(fù)合材料涂層的方法有熱滲鍍、物理氣相沉積、熱噴涂、 激光熔覆等。這些方法各自都有自身的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)也存在各自的局限性。熱滲鍍制備金屬間化合物涂層的成分分布受到熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件限制，物理氣相沉積制備金屬間化合物，其沉積涂層的速度較慢，激光熔覆雖然可以細(xì)化組織，但冷卻速度快，凝固過(guò)程難以控制，傳統(tǒng)熱噴涂方法由于使用高溫?zé)嵩矗谥苽渫繉訒r(shí)不可避免地存在一定程度的氧化、相變、分解及晶粒長(zhǎng)大等問(wèn)題。此外，新型冷噴涂技術(shù)由于低溫高速的特征，可以制備出致密無(wú)氧化的金屬涂層，但由于金屬間化合物的室溫脆性以及金屬陶瓷粉末中硬質(zhì)陶瓷相的高體積分?jǐn)?shù)，難以有效沉積涂層，因此，上述方法均難以制備出以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明其目就在于克服以上缺陷，而提供一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法，具有高耐磨性和高耐腐蝕性，以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層其結(jié)構(gòu)和耐腐蝕磨損性能更加優(yōu)越，并為制備陶瓷相高體積分?jǐn)?shù)的金屬陶瓷涂層或塊材提供了一種新的手段。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的而采用的技術(shù)方案為
一種金屬間化合物基金屬陶瓷涂層的制備方法，按以下步驟進(jìn)行
(1)將兩種或多種金屬粉末按構(gòu)成金屬間化合物的成分進(jìn)行配比，并加入體積分?jǐn)?shù)
(40-75Vol. %)的陶瓷硬質(zhì)相，在惰性氣氛保護(hù)、低溫或真空下進(jìn)行球磨制備亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/ 陶瓷復(fù)合粉末； 對(duì)球磨獲得的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合粉末進(jìn)行低溫(250-400°C)退火，消除金屬基體由于球磨產(chǎn)生的加工硬化，降低金屬/陶瓷復(fù)合粉末的硬度；
(3)采用冷噴涂方法噴涂上述粉末，在基體上制備亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合涂層；
<:4)對(duì)涂層進(jìn)行熱處理，溫度為500-1100°C之間，涂層中的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)合金相通過(guò)原位反
應(yīng)轉(zhuǎn)變成金屬間化合物，從而獲得以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層。所述的金屬間化合物選自i^e-Al、Ni-Al、Ti-Al、!^e-Si、Co-Si中的一種或幾種。所述的陶瓷硬質(zhì)相可以是碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金剛石等陶瓷顆粒的一種或幾種。所述的陶瓷硬質(zhì)相可以是顆粒也可以是纖維。所述的陶瓷硬質(zhì)相，其尺寸可以是微米級(jí)也可以是納米級(jí)，或者是兩者按一定比例的混合物。所述的球磨制備亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合粉末，其高體積分?jǐn)?shù)(40-75VO1. %)陶瓷硬質(zhì)相具有根據(jù)金屬基體性質(zhì)一次性加入或多次分批加入的特征。所述的以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層具有金屬間化合物粘結(jié)相原位生成及陶瓷顆粒硬質(zhì)相高體積分?jǐn)?shù)(40Vol.%以上)的特征。所述的以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層具有粒子間結(jié)合及陶瓷硬質(zhì)相與粘結(jié)相間結(jié)合可控的特征。本發(fā)明的總體技術(shù)思路是將與金屬間化合物對(duì)應(yīng)的多種單質(zhì)金屬以及陶瓷硬質(zhì)相按一定比例配比混合，利用機(jī)械合金化制備以亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)合金相為粘結(jié)相且陶瓷硬質(zhì)相高體積分?jǐn)?shù)的金屬/陶瓷復(fù)合粉末，采用冷噴涂方法將上述復(fù)合粉末沉積在基體表面形成金屬/陶瓷復(fù)合涂層，然后進(jìn)行熱處理，通過(guò)熱激活使得亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)合金粘結(jié)相轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)涂層內(nèi)部粒子間界面及金屬間化合物粘結(jié)相與陶瓷硬質(zhì)相間界面的連接，從而獲得以金屬間化合物為粘結(jié)相的高性能金屬陶瓷涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，
具有高耐磨性和高耐腐蝕性，以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層其結(jié)構(gòu)和耐腐蝕磨損性能更加優(yōu)越，并為制備陶瓷相高體積分?jǐn)?shù)的金屬陶瓷涂層或塊材提供了一種新的手段。
具體實(shí)施例方式以下依照本發(fā)明的技術(shù)方案作出具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)例。實(shí)例1 JeAl金屬間化合物為粘結(jié)相，納米WC為增強(qiáng)相的i^Al_40WC (vol. %)金屬陶瓷涂層制備。選用常規(guī)微米級(jí)WC粉末(15 45微米)，將粉末裝入球磨罐中以乙醇為過(guò)程控制劑進(jìn)行濕式球磨，球料比20:1，轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間分別為72小時(shí)，對(duì)上述球磨后的 WC粉末進(jìn)行分篩獲得納米級(jí)WC粉末(25-50nm)，然后選取狗粉、Al粉，按照摩爾比1 1配比500 g，并加入40% (體積分?jǐn)?shù))上述納米WC粉末，混合均勻后在球磨罐中進(jìn)行球磨，球料比 10:1，轉(zhuǎn)速180轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間36小時(shí)后獲得以亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)!^e (Al)固溶體為基的！^ (Al) / WC金屬/陶瓷復(fù)合粉末。取出粉末在300°C進(jìn)行熱處理并分篩獲得粒度約15-20微米左右的粉末，并在噴涂氣體為氮?dú)?、壓?. 5MPa、噴涂溫度650°C、噴涂距離20 mm的條件下冷噴涂沉積亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)！^e(Al)/WC金屬/陶瓷復(fù)合涂層，對(duì)噴涂后的涂層在550°C進(jìn)行15小時(shí)熱處理實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)！^ (Al)固溶體向!^Al金屬間化合物的原位轉(zhuǎn)變，從而獲得以!^Al金屬間化合物為粘結(jié)相的!^AHOWC金屬陶瓷涂層。實(shí)例2 =FeAl金屬間化合物為粘結(jié)相，微米Al2O3為增強(qiáng)相的i^Al_60Al203 (vol. %) 金屬陶瓷涂層制備。選取!^e粉、Al粉，按照摩爾比1 1配比500 g，并加入20% (體積分?jǐn)?shù))微米Al2O3 (5-10微米)粉末，混合均勻后在球磨罐中進(jìn)行球磨，球料比20:1，轉(zhuǎn)速220轉(zhuǎn)/分，在球磨 12小時(shí)、24小時(shí)后，打開(kāi)球磨罐在分別各加入20% (體積分?jǐn)?shù))微米Al2O3粉末，繼續(xù)球磨至 36小時(shí)后，獲得以亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)!^e (Al)固溶體為基的！^ (Al)/Al2O3金屬/陶瓷復(fù)合粉末。取出粉末在250°C進(jìn)行熱處理并分篩獲得粒度約15-25微米左右的粉末，并在噴涂氣體為氮?dú)狻?壓力2. OMPa、噴涂溫度500°C、噴涂距離20 mm的條件下冷噴涂沉積亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)！^e (Al) /Al2O3 金屬/陶瓷復(fù)合涂層，對(duì)噴涂后的涂層在950°C進(jìn)行5小時(shí)熱處理實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)!^e(Al)固溶體向!^Al金屬間化合物的原位轉(zhuǎn)變，并同時(shí)強(qiáng)化涂層中粒子間界面及粘結(jié)相與陶瓷硬質(zhì)相間界面的結(jié)合，從而獲得無(wú)粒子界面的以I^eAl金屬間化合物為粘結(jié)相的 ^Α1-60Α1203 金屬陶瓷涂層。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，該制備方法具體步驟如下T將兩種或多種金屬粉末按構(gòu)成金屬間化合物的成分進(jìn)行配比，加入40-75Vol.%體積分?jǐn)?shù)的陶瓷硬質(zhì)相，在惰性氣氛保護(hù)、低溫或真空下進(jìn)行球磨制備亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合粉末； 對(duì)球磨獲得的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合粉末進(jìn)行低溫(250-400°C)退火，消除金屬基體由于球磨產(chǎn)生的加工硬化，降低金屬/陶瓷復(fù)合粉末的硬度；iS:采用冷噴涂方法噴涂上述粉末，在基體上制備亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合涂層；I對(duì)涂層進(jìn)行熱處理，溫度為500-1100°C之間，涂層中合金元素?cái)U(kuò)散形成以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述金屬間化合物基金屬陶瓷的組織結(jié)構(gòu)由金屬間化合物作粘結(jié)相與陶瓷硬質(zhì)相作強(qiáng)化相構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的金屬間化合物選自i^e-Al、Ni-Al、Ti-Al、Fe-Si、Ni-Ti、Co-Si等中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的陶瓷硬質(zhì)相為碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金剛石陶瓷顆粒的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的陶瓷硬質(zhì)相為顆?；蚶w維。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的陶瓷硬質(zhì)相，其尺寸為微米級(jí)或納米級(jí)或兩者的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，其球磨制備亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合粉末，其陶瓷硬質(zhì)相具有根據(jù)金屬基體性質(zhì)一次性加入或多次分批加入的特征。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層具有金屬間化合物粘結(jié)相原位生成及陶瓷顆粒硬質(zhì)相高體積分?jǐn)?shù)(40Vol. %以上)的特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的制備方法， 其特征在于，所述的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層具有粒子間結(jié)合及陶瓷硬質(zhì)相與粘結(jié)相間結(jié)合可控的特征。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以金屬間化合物為粘結(jié)相的金屬陶瓷涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方法，它采用機(jī)械合金化工藝制備陶瓷硬質(zhì)相高體積分?jǐn)?shù)的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)金屬/陶瓷復(fù)合粉末，通過(guò)冷噴涂沉涂層，并通過(guò)熱處理工藝實(shí)現(xiàn)金屬間化合物粘結(jié)相的原位生成及控制粒子界面、陶瓷硬質(zhì)相與粘結(jié)相界面結(jié)合狀態(tài)，獲得界面結(jié)合可控的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層。該方法制備的金屬間化合物基金屬陶瓷涂層，具有陶瓷硬質(zhì)相高體積分?jǐn)?shù)、分散性好、金屬間化合物粘結(jié)相原位生成及粒子界面結(jié)合可控的結(jié)構(gòu)特征。
文檔編號(hào)B22F1/00GK102296289SQ20111023843
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者王洪濤, 紀(jì)崗昌, 陳梟, 陳清宇 申請(qǐng)人:九江學(xué)院