一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，包括金屬基體、Ni3Al過渡層和TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成。本發(fā)明還公開了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料制備方法，包括以下步驟：S1、將重量百分比為9.3%Al粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉混合均勻后制成表面涂層壓坯；S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉混合均勻后制成過渡層壓坯；S3、將金屬粉制成基體壓坯；S4、將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成。
【專利說明】一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)工作環(huán)境的嚴(yán)酷性，迫切需要工件能夠在高溫，耐蝕等工況下工作，對于材料的整體要求越來越高。在保留工件基本構(gòu)造和成分不變的前提下，只在工件關(guān)鍵部位實行涂層防護(hù)，既能有效地保護(hù)工件，又能節(jié)約成本。
[0003]對于涂層，本質(zhì)是各種鍵的結(jié)合，因此如何獲得高的鍵能結(jié)合是解決涂層結(jié)合強度的根本。特別對于鋼鐵工件而言，目前涂層有效的制備方法主要有熱噴涂、氣相沉積技術(shù)、復(fù)合鍍層技術(shù)和高能束技術(shù)等。這些方法利用熱能或化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)在鋼鐵表面涂層的冶金結(jié)合或冶金機(jī)械結(jié)合共存。但是這些方法是在已成型的鋼鐵表面制備涂層，涂層與構(gòu)件表面匹配性和相容性限制了其發(fā)展。主要表現(xiàn)為鋼鐵表面要預(yù)處理且涂層在制備過程中的應(yīng)力狀態(tài)和成分要盡量與鋼表面等參數(shù)匹配。由于是利用熱能或化學(xué)反應(yīng)來制備冶金涂層，容易產(chǎn)生氣泡和夾雜，難以獲得牢固、干凈的界面結(jié)合，且涂層本身的致密度和韌性不高，容易發(fā)生開裂、翹曲和脫落，影響涂層的使用和發(fā)展前景。
[0004]為了解決這一問題，中國專利ZL200610038185.0公開了一種涂層制備方法，采用鋼液澆注與自蔓延工藝結(jié)合制備TiC/Ni3Al金屬間化合物基表面復(fù)合涂層。這種涂層能實現(xiàn)與鋼鐵基體的冶金結(jié)合，且本身耐蝕耐磨，是一種理想的涂層材料。但是由于熱量來源與澆注鋼液、涂層的合成和界面的狀態(tài)不易控制，成品率不高。
[0005]利用粉末冶金工藝的特殊性，采用制備工件與涂層同時成型的整體材料是能解決上述不利影響的有效途徑。且粉末冶金中的壓力能使界面結(jié)合良好，涂層本身致密，不存在工件表面要預(yù)處理等過程。所以選用一種能原位反應(yīng)合成的高強、耐磨優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料作為涂層，且本身的放熱有利于涂層的原位合成，并與工件表面匹配形成擴(kuò)散層是一解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料及其制備方法，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備方法設(shè)計，解決了鋼鐵表面制備涂層時易產(chǎn)生氣泡和夾雜，難以獲得牢固、干凈的界面結(jié)合，且涂層本身的致密度和韌性不高，容易發(fā)生開裂、翹曲和脫落等問題，且能充分利用了熱能和壓力，節(jié)約了能源。
[0007]本發(fā)明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散而成。
[0008]優(yōu)選地，所述表面涂層按照重量百分比采用9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合制成。
[0009]優(yōu)選地，所述表面涂層中TiC顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為30%。[0010]優(yōu)選地，所述過渡層按照重量百分比采用86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合制成。
[0011]本發(fā)明中，上述公開的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:通過設(shè)計TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，利用TiC顆粒在Ni3Al中分布良好、結(jié)合牢固且TiC顆粒硬度高的優(yōu)點，獲得高強度的表面；同時設(shè)計Ni3Al過渡層，利用Ni3Al與粉末冶金基體結(jié)合牢固、界面好且與TiC顆粒結(jié)合牢固的優(yōu)點，將TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層與粉末冶金基體通過過渡層進(jìn)行結(jié)合，從而防止TiC顆粒與粉末冶金基體直接結(jié)合，克服TiC顆粒與粉末冶金基體結(jié)合不牢固導(dǎo)致易產(chǎn)生氣泡和夾雜的缺陷。
[0012]本發(fā)明還提出了一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成表面涂層壓坯；
[0014]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯；
[0015]S3、將金屬粉制成基體壓坯；
[0016]S4、將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成。
[0017]優(yōu)選地，在步驟SI中均勻混合方式為:將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉末在球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1。
[0018]優(yōu)選地，在步驟S2中均勻混合方式為:將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉粉末在球磨機(jī)上混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1。
[0019]優(yōu)選地，在步驟S4中熱壓燒結(jié)反應(yīng)及保溫擴(kuò)散過程中:最高施加壓力30_45MPa，最高燒結(jié)溫度1000-1150°C，保溫時間120-180min。
[0020]優(yōu)選地，在步驟S4中，壓力施加速率與升溫速率同步。
[0021 ] 優(yōu)選地，在步驟SI中，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2-3mm ;在步驟S2中，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為0.8-1.2mm ;在步驟S3中，在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為12-15mm ;在步驟S4中，在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序?qū)⒈砻嫱繉訅号?、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中。
[0022]本發(fā)明中，上述公開的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:采用粉末冶金工藝，先采用相應(yīng)粉末混料制成表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯，然后將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成成品，使界面結(jié)合良好，涂層本身致密，并能充分利用了熱能和壓力，從而節(jié)約能源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的SEM分析圖；
[0024]圖2為圖1中表面涂層的EDS分析圖；[0025]圖3為圖1中過渡層的EDS分析圖；
[0026]圖4為圖1中金屬基體的EDS分析圖；
[0027]圖5為本發(fā)明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法的框圖?！揪唧w實施方式】
[0028]如圖1-5所示，圖1為本發(fā)明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的SHM分析圖；圖2為圖1中表面涂層的EDSD分析圖；圖3為圖1中過渡層的EDS分析圖；圖4為圖1中金屬基體的EDS分析圖；圖5為本發(fā)明中一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法的框圖。
[0029]為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng)對本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制作用。
[0030]在本發(fā)明中，采用的Ni粉、Al粉、Ti粉、C粉和Fe粉的純度分別為99.5%,99.0%、99.5%T1、99.9%和99.0%，顆粒粒度分別為500目、300目、300目、300目和200目。
[0031]實施例1
[0032]請參考圖1-5，本發(fā)明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散而成，其中，表面涂層中TiC顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為30% ；
[0033]上述金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料可以由以下步驟制得:
[0034]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2mm ；
[0035]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨機(jī)上混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為1.2mm ；
[0036]S3、在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為15mm ；
[0037]S4、在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序?qū)⒈砻嫱繉訅号鳌⑦^渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成，其中，最高施加壓力30MPa，最高燒結(jié)溫度1000°C，保溫時間180min且壓力施加速率與升溫速率同步。
[0038]實施例2
[0039]請參考圖1-5，本發(fā)明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散而成，其中，表面涂層中TiC顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為30% ；
[0040]上述金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料可以由以下步驟制得:
[0041]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2.5mm ；
[0042]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨機(jī)上混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為Imm ;
[0043]S3、在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為13mm ；
[0044]S4、在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序?qū)⒈砻嫱繉訅号?、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成，其中，最高施加壓力45MPa，最高燒結(jié)溫度1150°C，保溫時間120且壓力施加速率與升溫速率同步。
[0045]實施例3
[0046]請參考圖1-5，本發(fā)明提出的一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散而成，其中，表面涂層中TiC顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為30% ；
[0047]上述金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料可以由以下步驟制得:
[0048]S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為3mm ；
[0049]S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨機(jī)上混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為0.8mm ；
[0050]S3、在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為14mm ；
[0051]S4、在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序?qū)⒈砻嫱繉訅号?、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成，其中，最高施加壓力40MPa，最高燒結(jié)溫度1100°C，保溫時間150min且壓力施加速率與升溫速率同步。
[0052]在實施例1-3中獲得的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，具有三層結(jié)構(gòu)，分別為基體、過渡層、表面涂層，其SEM分析圖如圖1所示；其中，表面涂層為TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，生成的TiC顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為30%，其EDS分析圖如圖2所示；過渡層為Ni3Al過渡層，其EDS分析圖如圖3所示；金屬基體為鐵基體，其EDS分析圖如圖4所示。
[0053]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，其特征在于，包括金屬基體，在所述金屬基體表面形成Ni3Al過渡層，在所述過渡層表面形成TiC顆粒增強Ni3Al表面涂層，所述金屬基體、過渡層和表面涂層都采用粉末混料進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，其特征在于，所述表面涂層按照重量百分比采用9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，其特征在于，所述表面涂層中TiC顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為30%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料，其特征在于，所述過渡層按照重量百分比采用86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合制成。
5.一種金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成表面涂層壓坯； S2、將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均勻混合，將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯； S3、將金屬粉制成基體壓坯； S4、將表面涂層壓坯、過渡層壓坯和基體壓坯放入石墨模具中，在真空環(huán)境下對壓坯進(jìn)行熱壓燒結(jié)反應(yīng)并保溫擴(kuò)散制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟SI中均勻混合方式為:將重量百分比為9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉末在球磨機(jī)上進(jìn)行混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟S2中均勻混合方式為:將重量百分比為86.8%Ni粉和13.3%的Al粉粉末在球磨機(jī)上混料，混料時間為12小時，球料質(zhì)量比為3:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟S4中熱壓燒結(jié)反應(yīng)及保溫擴(kuò)散過程中:最高施加壓力30-45MPa，最高燒結(jié)溫度1000-1150°C，保溫時間 120-180min。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟S4中，壓力施加速率與升溫速率同步。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬基耐磨耐蝕表面涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟SI中，在25MPa壓力下將混合均勻的涂層混料制成表面涂層壓坯，其厚度為2-3mm;在步驟S2中，在25MPa壓力下將混合均勻后的涂層混料制成過渡層壓坯，其厚度為0.8-1.2mm ;在步驟S3中，在25MPa壓力下將鋼/鐵粉制成基體壓坯，其厚度為12_15mm ;在步驟S4中，在氬氣氣氛下，在手套箱中分別將過渡層壓坯、表面涂層壓坯和基體壓坯的兩個端面打磨清理，然后按照從上到下順序?qū)⒈砻嫱繉訅号?、過渡層壓坯和基體壓坯依次放入石墨模具中。
【文檔編號】B22F3/14GK103464764SQ201310383107
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】楊子潤, 蔡杰, 李新星, 王樹奇, 顧茂云 申請人:鹽城工學(xué)院