CN100406170C - TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的Cast-SHS制备工艺，属于一种材料制备技术。本发明采用要制备的TiC/Ni3Al复合涂层所含的Ni、Al、Ti、C粉末为原料，按所得产物的原子百分比例和产物重量百分比例混合均匀并压制成一定厚度的预制块，干燥后采用有机粘结剂粘贴于干燥后的铸型型壁内；预热铸型后，浇入钢液，在钢件表面形成TiC/Ni3Al金属间化合物基复合材料涂层。通过调整粉末成分，可以得到不同含量陶瓷增强相的金属间化合物基复合材料涂层。本发明具有工艺简便、成本低、涂层结合力强、综合性能好等特点，可广泛用于铸钢件的表面强化。
Description
技术领域
本发明属于一种材料制备技术，特制TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法。
背景技术
现代工业的发展迫切需要能在高温、腐蚀和剧烈磨损工况下工作的构件，单一的钢铁材料越来越难以满足要求。大多数情况下，构件的失效仅发生在某些特定的表面，而对于在大载荷下服役的构件，使用寿命不仅与其表面材料和性能有关，而且还与基体的力学性能，特别是韧性有关。因此，理想的构件材料应在构件的表面或局部为耐磨、耐热和耐蚀材料，而构件母体仍保持钢的成分和组织，具有较高的强度和韧性。为了提高构件的耐磨、耐热、耐腐蚀等性能，在构件的表面或特殊部位获得特殊性能涂层是最为经济和有效的措施之一。
铸钢表面涂层大多数采用了陶瓷颗粒增强金属基复合材料，如利用Ti-C-Al、Ti-C-Fe、Ti-C-Al-Fe、Ti-C-Ni体系在钢的表面形成TiC/Fe复合材料。这种钢基复合材料具有高的耐磨性，但其耐热和抗腐蚀性较差。此外，在这些体系中Ti、C反应生成TiC较难，反应需要的温度较高、时间较长且反应不完全。这是由于钢液浇入后温降较大在短时间凝固，既使反应发生了，也不能获得较好的复合。金属间化合物材料涂层具有高的耐热和抗腐蚀性，但耐磨性尚不够理想。
采用陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料涂层，使构件不仅具有高的抗磨性，还具有较高的耐热和抗腐蚀性能，是一种非常理想的涂层材料。专利(公开号1546694)发明了一种激光合成制备金属间化合物及其颗粒增强复合材料的方法。但该方法具有设备投资大、成本高、生产效率低、构件形状、尺寸和复合位置有限制等问题。
Cast-SHS(铸造自蔓延合成)工艺是将自蔓延高温燃烧合成(SHS)和铸造相结合来制造内生陶瓷颗粒增强金属间化合物基表面复合材料的一种新方法。在构件铸造成形的同时获得所需的特殊性能层，具有节能、节材、工艺简便等优点。此外，所生产构件的形状、大小和复合位置不受限制。目前国内外尚未见利用Cast-SHS工艺制备陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料涂层的研究报道，具有创新性。
发明内容
本发明的目的是为了解决陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料涂层制备中设备投资大、成本高、生产效率低、构件形状、尺寸和复合位置有限制等问题。本发明中采用了Cast-SHS工艺，在构件铸造成形过程中一次获得所需的金属间化合物基复合材料涂层，具有节能、节材、工艺简便等优点，可广泛用于铸件表面或局部的强化。
将Ti、C、Al、Ni粉末混粉12～24h，Ti、C及Al、Ni摩尔比分别为1∶1、1∶3，Ti、C占混合粉末质量百分总量的15％～50％，混合均匀后的粉末压制成2～10mm厚的坯块，并在真空状态下干燥2～5小时，采用有机粘结剂粘贴预制块于空干后的砂型型壁，预热，浇入温度为1550～1600℃钢液，凝固后得到TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
Ti、C、Al、Ni粉末的混粉在行星式球磨机上进行；
有机粘结剂为聚乙烯醇(PVA)；
本制备方法宜采用以下工艺参数为佳：
将Ti、C、Al、Ni粉末在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3∶1，Ti、C占混合粉末质量百分总量的35～50％，混合均匀后的粉末压制成2～5mm厚的坯块，并在150℃真空状态下干燥5小时，采用3％的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1550℃钢液，凝固后得TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
Ni3Al的熔点高、密度低、热导率大(是高温合金的4～8倍)，具有高温强度好、高温抗蠕变性能强、抗腐蚀、抗氧化性能好等优点。TiC陶瓷颗粒密度低、硬度高、高温强度和热稳定性好，是复合材料理想的增强体。TiC陶瓷颗粒增强Ni3Al基复合材料可以在保留基体原有性能的同时，提高复合材料的高温强度，且Ni3Al和TiC之间有良好的界面相容性。采用Cast-SHS工艺制备陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料涂层，是利用传统铸造工艺的浇注成型过程中钢液点燃型腔内粉体预制块发生自蔓延高温燃烧合成反应(SHS)，合成内生陶瓷颗粒增强金属间化合物基表面复合材料并与钢基体形成致密的冶金结合，在构件铸造成形过程中在构件的表面或局部一次获得所需的特殊性能层，具有节能、节材、工艺简便、生产效率高、所生产构件的形状、大小和复合位置不受限制等优点。没有激光合成方法的设备投资大、成本高、生产效率低、构件形状、尺寸和复合位置有限制等问题。此外，该体系易引燃、反应完全、涂层结合力强、质量稳定性高，易于工业化生产。
附图说明
图1钢基表面复合涂层XRD分析
图215％TiC/Ni3Al界面光镜图
图315％TiC/Ni3Al涂层表面扫描电镜图
图4 35％TiC/Ni3Al界面光镜图
图5 35％TiC/Ni3Al涂层表面扫描电镜图
图6 50％TiC/Ni3Al界面光镜图
图7 50％TiC/Ni3Al涂层表面扫描电镜图
具体实施方式
实施例1
制取TiC(15wt％)/Ni3Al涂层
采用纯度≥99.8％的Ti粉(500目)、纯度≥99.85％的石墨粉(颗粒度≤30μm)、纯度≥98％的Al粉(300目)和纯度≥99％的Ni粉(200目)，按Ti、C及Al、Ni分别为摩尔比1∶1和1∶3配比配料，Ti、C占混合粉末总量的15％，在行星式球磨机上混粉16h，球料比为3∶1。混合均匀后的粉末在10吨压机上压制成φ20mm×2mm的坯块，致密度为55％，并在150℃真空状态下干燥5小时，然后用3％的PVA水溶液粘贴预制块于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1600℃钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得到15wt％TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
实施例2
制取TiC(35wt％)/Ni3Al涂层
采用纯度≥99.8％的Ti粉(300目)、纯度≥99.85％的石墨粉(颗粒度≤30μm)、纯度≥98％的Al粉(300目)和纯度≥99％的Ni粉(200目)，按Ti、C及Al、Ni分别为摩尔比1∶1和1∶3配比配料，Ti、C占混合粉末总量的35％，在行星式球磨机上混粉20h，球料比为3∶1。混合均匀后的粉末在10吨压机上压制成φ20mm×6mm的坯块，致密度为58％，并在150℃真空状态下干燥5小时，然后用3％的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1580℃钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得到35wt％TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
实施例3
制取TiC(50wt％)/Ni3Al涂层
采用纯度≥99.8％的Ti粉(300目)、纯度≥99.85％的石墨粉(颗粒度≤30μm)、纯度≥98％的Al粉(300目)和纯度≥99％的Ni粉(200目)，按Ti、C及Al、Ni分别为摩尔比1∶1和1∶3配比配料，Ti、C占混合粉末总量的50％，在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3∶1。混合均匀后的粉末在10吨压机上压制成φ20mm×10mm的坯块，致密度为52％，并在150℃真空状态下干燥5小时，然后用3％的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1550℃钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得到50wt％TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
由图1-图7可见，在Ni、Al、Ti、C四种粉末元素组成的系统中，经过高温钢液引发其发生SHS反应，Ni3Al和TiC是最终稳定存在的两个相。反应合成完全，涂层产物纯净，界面处实现了良好的冶金结合。但随着TiC含量的变化，界面结合处的微观形貌也呈现不同的状况。TiC含量较低时，界面结合较为平整，当TiC含量较多时形成分层状界面。涂层表面TiC呈直径为1～2μm的球状，随TiC含量增加，分布更均匀。
Claims (4)
1.TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法，采用要制备的TiC/Ni3Al复合涂层所含的Ni、Al、Ti、C粉末为原料，按所得产物的原子百分比例和产物重量百分比例混合均匀并压制成一定厚度的坯块，干燥后采用有机粘结剂粘贴于干燥后的铸型型壁内；预热铸型后，浇入钢液，在钢件表面形成TiC/Ni3Al金属间化合物基复合材料涂层，其特征在于：将Ti、C、Al、Ni粉末混粉12～24h，Ti、C及Al、Ni摩尔比分别为1∶1、1∶3，Ti、C占混合粉末质量百分总量的15％～50％，混合均匀后的粉末压制成2～10mm厚的坯块，并在真空状态下干燥2～5小时，采用有机粘结剂粘贴坯块于空干后的砂型型壁，预热，浇入温度为1550～1600℃钢液，凝固后得到TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
2.根据权利要求1所述的TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法，其特征在于：Ti、C、Al、Ni粉末的混粉在行星式球磨机上进行。
3.根据权利要求1所述的TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法，其特征在于：有机粘结剂为聚乙烯醇。
4.根据权利要求1、2、3所述的TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层的制备方法，其特征在于：将Ti、C、Al、Ni粉末在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3∶1，Ti、C占混合粉末质量百分总量的35～50％，混合均匀后的粉末压制成2～5mm厚的坯块，并在150℃真空状态下干燥5小时，采用3％的聚乙烯醇水溶液将所述坯块粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1550℃钢液，凝固后得TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。
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