專利名稱：納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末及其制備方法。
背景技術(shù)：
在冷軋帶鋼連續(xù)退火工藝過程中，通過爐輥的轉(zhuǎn)動來帶動帶鋼的運(yùn)動，爐內(nèi)高溫段的溫度達(dá)到1000°c左右，爐輥表面狀態(tài)對帶鋼表面質(zhì)量有著重要影響，因此，爐輥表面除了應(yīng)具有高溫抗氧化能力外，還需要具有高溫硬度及耐高溫磨損能力和抗結(jié)瘤性能。為解決爐輥表面耐熱、耐磨損和抗結(jié)瘤的問題，需要在爐輥上涂覆含有復(fù)合金屬陶瓷粉體的涂·層。所涂覆的復(fù)合金屬陶瓷粉體及該復(fù)合金屬陶瓷粉體在爐輥的涂覆方法的選擇，就顯得非常重要。由MCrAH (其中M是Fe、Ni或Co)合金所制備的噴涂粉末是典型的耐高溫材料，并能夠與金屬基體形成良好的結(jié)合，但其硬度較低，耐磨損性能有所欠缺，為此在該合金中加入陶瓷硬質(zhì)相以滿足爐棍鍍層的需要。美國專利說明書US5700423A公開了在爐輥涂層的MCrAH (其中M是Fe、Ni或Co)合金中加入Mg0、MgA1204或Y203低固態(tài)反應(yīng)活性硬質(zhì)相；日本專利說明書特開平2-270955公開了在爐輥涂層的CoNiCrAH合金中加入5% 20%的Cr203-A1203高溫強(qiáng)化相；美國專利說明書US4822689A公開了在MCrAH(其中M是Fe、Ni或Co)合金中加入51% 95%的Al203高溫強(qiáng)化相；日本專利說明書特開昭63-47379公開了在MCrAH (其中M是Fe、Ni或Co)合金中加入40%的Si02高溫強(qiáng)化相。此類復(fù)合金屬陶瓷粉體的制作都是將金屬粉末和陶瓷粉末以機(jī)械方式混合，該混合方式不是包覆形態(tài)，在顯微鏡下觀察金屬顆粒和陶瓷顆粒是分離的不同球體，粉末在儲運(yùn)過程中由于兩種粉末比重不同會發(fā)生成分偏析，在噴涂過程中由于陶瓷粉末比重小，會造成飛濺損失，使得涂層中陶瓷粉末的沉積率減少，涂層性能下降。此外上述陶瓷硬質(zhì)相的熔點(diǎn)較高，與金屬相的熔點(diǎn)差別較大，因此僅適合于采用溫度較高的爆炸噴涂或等離子噴涂的方式完成，如采用超音速噴涂方法，由于火焰溫度較低，往往難以充分軟化陶瓷顆粒，涂層中陶瓷含量極低甚至幾乎檢測不出陶瓷相的存在，起不到強(qiáng)化涂層的目的。為解決適用于超音速噴涂方法的復(fù)合粉末需求，近來也有米用在金屬合金材料熔煉過程中加入氧化物陶瓷顆粒，通過霧化造粒形成復(fù)合粉體的方法，但是由于金屬液與陶瓷的比重相差較大，兩者又互不相溶，形成的混合物質(zhì)均勻性較差，同時復(fù)合粉體顆粒中夾雜陶瓷成分，熱傳導(dǎo)性能不好，復(fù)合顆粒表面的金屬相容易在實(shí)際噴涂加熱過程中產(chǎn)生局部過熔，發(fā)生粘槍堵塞槍管現(xiàn)象，難以優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)設(shè)置，大大影響了涂層的實(shí)際使用性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末及其制備方法，本噴涂粉末具有良好的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，提高了鍍層的韌性和抗熱疲勞強(qiáng)度，制備得到的粉體包覆形態(tài)均勻完整，流動性好，顯著降低了噴涂難度，提高了爐輥表面耐磨性，延長爐輥使用壽命，降低生產(chǎn)和維修成本。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的組分及重量百分比為:
金屬合金MCrAlTaY65% 90% ；
納米氧化鋁和/或納米氧化釔 5% 30% ；
納米二硼化鈦5% 15% ；
所述金屬合金MCrAlTaY中，M為金屬鎳N1、金屬鈷Co或金屬鎳-鈷合金，其中重量百分比為:M 50% 80%、Cr 12% 28%、Al 5% 12%、Ta 0.2% 8%、Y 0.1% 1.2%,金屬合金MCrAlTaY與納米氧化鋁和/或納米氧化釔構(gòu)成合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末，納米二硼化鈦為納米金屬陶瓷粉末。進(jìn)一步,上述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒的粒徑為一 40Mm +10Mm。進(jìn)一步,上述納米金屬陶瓷粉末的粒徑小于lOOnm。優(yōu)選為10_60nm。上述納米陶瓷 復(fù)合噴涂粉末的制備方法，將所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末送入球磨機(jī)中，并加入兩倍重量的氧化鋁或氧化鋯球體作為球磨介質(zhì)和所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末量8%-12%重量百分比的有機(jī)粘接劑，啟動球磨機(jī)混合均勻，隨后加入所述納米金屬陶瓷粉末，再次開啟球磨機(jī)，控制適當(dāng)球磨速度和時間直至所述納米金屬陶瓷粉末全部均勻包裹在所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒表面，停止球磨機(jī)將濕料取出后放入干燥箱進(jìn)行真空或保護(hù)氣熱處理，經(jīng)過充分干燥后進(jìn)行顆粒分級，得到用于噴涂鍍層的大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體。進(jìn)一步，上述大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體的粒徑為20 60Mffl。進(jìn)一步，對大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體實(shí)施等離子體致密化處理，粉體通過高溫等離子噴槍快速燒結(jié)后水冷，使得粉體顆粒更加致密化，能夠阻止納米晶粒長大和高溫氧化。
由于本發(fā)明納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末及其制備方法采用了上述技術(shù)方案，即納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的組分及重量百分比為:65% 90%的金屬合金MCrAlTaY、5% 30%的納米氧化鋁和/或納米氧化釔、5% 15%的納米二硼化鈦，在金屬合金MCrAlTaY中，M為金屬鎳N1、金屬鈷Co或金屬鎳-鈷合金，其中重量百分比為:M 50% 80%、Cr 12% 28%、Al 5% 12% 'Ta 0.2% 8%、Y 0.1% 1.2%，金屬合金MCrAlTaY與納米氧化鋁和/或納米氧化釔構(gòu)成合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末，納米二硼化鈦為納米金屬陶瓷粉末。將合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末送入球磨機(jī)中，并加入兩倍重量的球磨介質(zhì)和合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末量8-12%的有機(jī)粘接劑，啟動球磨機(jī)混合均勻，隨后加入納米金屬陶瓷粉末，再次開啟球磨機(jī)直至納米金屬陶瓷粉末全部均勻包裹在合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒表面，停止球磨機(jī)將濕料取出后放入干燥箱進(jìn)行真空或保護(hù)氣熱處理，經(jīng)過充分干燥后進(jìn)行顆粒分級，得到用于噴涂鍍層的大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體。本噴涂粉末具有良好的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，提高了鍍層的韌性和抗熱疲勞強(qiáng)度，制備得到的粉體包覆形態(tài)均勻完整，流動性好，顯著降低了噴涂難度，提高了爐輥表面耐磨性，延長爐輥使用壽命，降低生產(chǎn)和維修成本。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的組分及重量百分比為:
金屬合金MCrAlTaY65% 90% ；納米氧化鋁和/或納米氧化釔 5% 30% ；
納米二硼化鈦5% 15% ；
所述金屬合金MCrAlTaY中，M為金屬鎳N1、金屬鈷Co或金屬鎳-鈷合金，其中重量百分比為:M 50% 80%、Cr 12% 28%、Al 5% 12%、Ta 0.2% 8%、Y 0.1% 1.2%,金屬合金MCrAlTaY與納米氧化鋁和/或納米氧化釔構(gòu)成合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末，納米二硼化鈦為納米金屬陶瓷粉末。進(jìn)一步，上述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒的粒徑為一 40Mm +10Mm。進(jìn)一步,上述納米金屬陶瓷粉末的粒徑小于lOOnm。優(yōu)選為10_60nm。在本納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末中，耐高溫金屬合金MCrAlTaY,不僅具有很好的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，而且有很好的韌性和抗熱疲勞強(qiáng)度。由復(fù)合金屬陶瓷粉體制得的爐內(nèi)輥涂層通常是多相的，主要由Y固溶體和彌散的β-NiAl或β — CoAl相組成，還有Y ; > δ和Υ203相。本噴涂粉末中加入Al是為了形成保護(hù)性Α1203膜；加入Cr不僅可改善涂層抗熱腐蝕性能，而且能促進(jìn)Α1203的形成；金屬Y的加入起活性元素效應(yīng)，能夠提高氧化膜與MCrAH間的結(jié)合強(qiáng)度，即改善氧化膜的粘附性。在Al量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，Ta的加入有利于形成硫化物以減少自由態(tài)硫?qū)ρ趸挠泻ψ饔?，減少合金的氧化增重和延緩氧化皮剝落，提高合金的抗氧化能力。二硼化鈦與合金具有良好的潤濕性，是很好的粘結(jié)相，又具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨損性，是比較理想的陶瓷硬質(zhì)相，加入二硼化鈦還可以提高爐輥涂層的抗結(jié)瘤性能，抑制納米晶粒的長大。納米氧化鋁的加入對涂層的硬度相應(yīng)提高，抗磨損性能增強(qiáng)效果明顯。
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納米氧化釔的加入能夠阻止涂層材料與帶鋼表面的氧化錳發(fā)生高溫固態(tài)反應(yīng)，改善涂層性能。本發(fā)明上述納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的制備方法，將所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末送入球磨機(jī)中，并加入兩倍重量的氧化鋁或氧化鋯球體作為球磨介質(zhì)和所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末量8%-12%重量百分比的有機(jī)粘接劑，該有機(jī)粘接劑可選用聚乙烯醇(PVA)溶液，啟動球磨機(jī)混合均勻，隨后加入所述納米金屬陶瓷粉末，再次開啟球磨機(jī)，控制適當(dāng)球磨速度和時間直至所述納米金屬陶瓷粉末全部均勻包裹在所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒表面，球磨速度可控制在接近球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，時間可選擇4 8h，停止球磨機(jī)將濕料取出后放入干燥箱進(jìn)行真空或保護(hù)氣熱處理，干燥溫度可控制在180 260°C，干燥時間6 12h，經(jīng)過充分干燥后進(jìn)行顆粒分級，通常顆粒分級采用篩分的方法得到所需粒度范圍的粉末產(chǎn)品，并通過顯微鏡觀察可以確定合金顆粒的表面包覆形貌，得到用于噴涂鍍層的大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體。進(jìn)一步，上述大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體的粒徑為20 60Mm。進(jìn)一步，對大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體實(shí)施等離子體致密化處理，粉體通過高溫等離子噴槍快速燒結(jié)后水冷，使得粉體顆粒更加致密化，能夠阻止納米晶粒長大和高溫氧化。經(jīng)本制備方法得到的納米陶瓷復(fù)合粉體呈球形或近球形結(jié)構(gòu)，大顆粒表層為納米陶瓷結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為結(jié)合緊密的合金顆粒，具有良好的流動特性、輸送特性，振實(shí)密度高，特別適用于超音速火焰噴涂工藝，也同時適用于爆炸噴涂工藝或等離子噴涂工藝。所以，本方法是一種工藝流程簡單、切實(shí)可行的納米陶瓷復(fù)合粉體的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法。本方法在制備過程中沒有長時間高溫處理過程，納米陶瓷的屬性完全得到保留，納米陶瓷與金屬顆粒均勻分配，增強(qiáng)陶瓷材料在形成涂層中的彌散效果，使得涂層性能更加均勻；其次納米陶瓷的熔點(diǎn)有所降低且包覆在合金顆粒的外表，克服了傳統(tǒng)機(jī)械方式混合無包覆形態(tài)的缺陷，在噴涂時更容易熔化隨金屬液粘在爐輥表面，結(jié)合能力更好，減少了涂層剝落現(xiàn)象；并且由于納米陶瓷的熔點(diǎn)又高于合金材料，可以采用較高火焰溫度的噴涂裝置，噴涂工藝的穩(wěn)定性明顯提高，從而改善在噴涂過程中由于傳熱不良造成的粘槍現(xiàn)象，并可減輕金屬相在噴涂過程中的氧化。在噴涂粉末中選擇采用納米級的陶瓷材料替代傳統(tǒng)尺寸材料可以改善爐輥涂層表面綜合性能，增加了涂層的韌性，從而提高了爐輥的使用壽命，節(jié)約了停機(jī)換輥時間，降低了生產(chǎn)成本和維修成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。高速氧焰噴涂方法中采用的高速氧焰噴槍與普通火焰噴涂槍的不同之處是，它有一個供氧與燃料進(jìn)行燃燒的高溫高壓燃燒室，并且燃燒產(chǎn)物通過一個壓縮膨脹噴嘴噴射出去，在噴槍的出口處獲得超音速噴涂焰流，將通過送粉氣送進(jìn)焰流的粉末加速到超音速。由于以超音速飛行的顆粒撞擊到基體表面時會更加平展，所以噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度，密度和硬度都非常高。高速可使顆粒獲得高的動能和較短的氧化暴露時間，相對溫度較低，較適合于熔點(diǎn)較低的金屬粉末的噴涂，以減少氧化。因此高速和相對較低的溫度是高速氧焰噴涂方法最重要的兩個特征。本發(fā)明的納米陶瓷復(fù)合粉體中納米陶瓷相的熔點(diǎn)較低，并易于在噴涂過程中得到充分加熱，特別適合于高速氧焰噴涂的工藝需求，能夠制得優(yōu)質(zhì)的噴涂層。
爐輥修復(fù)作業(yè)時，利用超音速火焰噴涂工藝，將爐輥經(jīng)過預(yù)熱、噴砂、打底、噴涂、封閉、磨削工序，完成對輥面的整個噴涂加工過程，噴涂采用本發(fā)明的納米陶瓷復(fù)合粉體，得到的涂層具有良好的致密性和結(jié)構(gòu)均勻性，強(qiáng)度高、韌性好，有優(yōu)良的抗結(jié)瘤性能、耐高溫氧化性能、耐熱震性能和耐磨損性能。該涂層與爐輥基體熱脹系數(shù)相對接近，涂層不易剝落，與傳統(tǒng)涂層相比，大大地提高了爐棍的使用壽命，為生產(chǎn)現(xiàn)場節(jié)約了停機(jī)換輥時間，提高了經(jīng)濟(jì)效益，降低了生產(chǎn)成本。由于輥面綜合性能的改善，減少了傳動帶鋼過程的跑偏和劃傷的出現(xiàn)，提高了帶鋼的表面質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末，其特征在于:所述納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的組分及重量百分比為: 金屬合金MCrAlTaY65% 90% ； 納米氧化鋁和/或納米氧化釔 5% 30% ； 納米二硼化鈦5% 15% ； 所述金屬合金MCrAlTaY中，M為金屬鎳N1、金屬鈷Co或金屬鎳-鈷合金，其中重量百分比為:M 50% 80%、Cr 12% 28%、Al 5% 12%、Ta 0.2% 8%、Y 0.1% 1.2%,金屬合金MCrAlTaY與納米氧化鋁和/或納米氧化釔構(gòu)成合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末，納米二硼化鈦為納米金屬陶瓷粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末，其特征在于:所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒的粒徑為一 40Mm +10Mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末，其特征在于:所述納米金屬陶瓷粉末的粒徑小于lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末，其特征在于:所述納米金屬陶瓷粉末的粒徑為10 60nm。
5.一種權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的制備方法，其特征在于:將所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末送入球磨機(jī)中，并加入兩倍重量的氧化鋁或氧化鋯球體作為球磨介質(zhì)和所述合金氧化 物陶瓷復(fù)合粉末量8% 12%重量百分比的有機(jī)粘接劑，啟動球磨機(jī)混合均勻，隨后加入所述納米金屬陶瓷粉末，再次開啟球磨機(jī)，控制適當(dāng)球磨速度和時間直至所述納米金屬陶瓷粉末全部均勻包裹在所述合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末顆粒表面，停止球磨機(jī)將濕料取出后放入干燥箱進(jìn)行真空或保護(hù)氣熱處理，經(jīng)過充分干燥后進(jìn)行顆粒分級，得到用于噴涂鍍層的大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的制備方法，其特征在于:所述大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體的粒徑為20 60Mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末的制備方法，其特征在于:對大顆粒球形納米陶瓷復(fù)合粉體實(shí)施等離子體致密化處理，粉體通過高溫等離子噴槍快速燒結(jié)后水冷，使得粉體顆粒更加致密化，能夠阻止納米晶粒長大和高溫氧化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末及其制備方法，即納米陶瓷復(fù)合噴涂粉末包括一定組分的MCrAlTaY、納米氧化鋁和/或納米氧化釔、納米二硼化鈦，在MCrAlTaY中，M為Ni、Co或Ni-Co合金，MCrAlTaY與納米氧化鋁和/或納米氧化釔構(gòu)成合金氧化物陶瓷復(fù)合粉末，納米二硼化鈦為納米金屬陶瓷粉末。將復(fù)合粉末送入球磨機(jī)中，加入球磨介質(zhì)和有機(jī)粘接劑，啟動球磨機(jī)混合均勻，隨后加入陶瓷粉末，再次開啟球磨機(jī)直至陶瓷粉末全部均勻包裹在復(fù)合粉末顆粒表面后將濕料取出后干燥，得到納米陶瓷復(fù)合粉體。本噴涂粉末具有良好的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，提高了鍍層的韌性和抗熱疲勞強(qiáng)度，制備得到的粉體包覆形態(tài)均勻完整，流動性好，降低了噴涂難度。
文檔編號C23C4/06GK103184400SQ20111044294
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者徐建明, 譚興海, 陳雄偉, 朱文婕 申請人:上海寶鋼設(shè)備檢修有限公司