CN101161865A - 镍三硅钛-碳化钛复合涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
镍三硅钛金属间化合物－碳化钛陶瓷复合涂层材料及其制备方法，在镍基高温合金基体上激光熔覆原位生成主要组成相为Ni3(Si，Ti)金属间化合物和TiC陶瓷的复合涂层；涂层材料主要包含Ni、Si、Ti、C四种元素，其化学成分以重量百分比计：Ti粉+C粉为8％～20％，余量为Ni78Si13Ti9；其制备方法是采用激光进行熔覆，工艺参数为：输出功率1000－1500W，扫描速度4－6mm/s，光斑直径4mm，熔覆时保护气体为Ar气，其步骤如下：按上述配比，将涂层材料混合均匀，预先涂敷或热喷涂在镍基高温合金基体表面，厚度1～1.2mm；采用激光进行多层多道扫描熔覆，每道搭接1.8mm，获得不同厚度的熔覆层。
Description
技术领域
本发明涉及镍三硅钛涂层材料及其制备工艺，特别是提供一种高温抗硫化物腐蚀、冲蚀和良好耐磨性的涂层材料及其在镍基高温合金上制成的涂层，属于金属间化合物合成及涂层制备领域。
背景技术
对Ni3Si而言，Ti和C是增韧元素(Yi Takasugi，M.Nagashima，O.Izumi，“Strengthening and ductilization of Ni3Si by the addition of Ti elements”，Acta Metallurgica，1990，v 38，n 5，p 747-755；Jason S.C.Jang，C.J Ou，C.Y.Cheng，“The evolution ofmicrostructure change and mechanical properties for a nickel silicide based alloy dopedwith carbon and boron”，Source：Materials Science and Engineering A，2002，v 329-331，p455-460)。TiC因其具有很宽的固溶度范围和极高的形成自由能，以及它具有硬度高，耐磨性优异以及高温化学稳定性好等突出优点，是金属间化合物、镍基高温合金及许多高温耐磨合金与涂层材料的重要增强相之一(C.M.Ward-Close，Minor，P.J.Doorbar，“Intermetallic-matrix composites-a review”，Intermetallics，1996，4：217-229)。
激光熔覆技术在制备耐热及耐磨涂层等方面具有重要应用价值。把金属间化合物基复合材料(Intermetallic Matrix Composites，简称IMCs)引入涂层材料，可望使激光熔覆质量以及熔覆层的综合使用性能得到较大程度地改善(中国发明专利CN1546694A)。
Ni3Si金属间化合物具有优异的抗二氧化硫腐蚀性能以及良好的高温抗氧化性能，是一种潜在的高温结构材料，有望在石油化工、冶金、航空航天等要求耐高温耐腐蚀场合得到应用，也可取代部分正在使用的比强度较差的高温结构材料。目前，阻碍Ni3Si金属间化合物实际应用的瓶颈问题是其室温韧性低。因此，通过多组元合金化、复合化和改善材料制备方法对其增韧补强成为Ni3Si金属间化合物材料研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料及制备方法，将激光熔覆与原位合成技术的优点有机地结合在一起制备金属间化合物基复合涂层，在镍基高温合金基体上激光熔覆原位生成主要组成相为Ni3(Si，Ti)金属间化合物和TiC陶瓷的复合涂层。
本发明是镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，涂层材料主要包含Ni、Si、Ti、C四种元素，其化学成分以重量百分比计：Ti粉+C粉为8％～20％，余量为Ni78Si13Ti9。
以上所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，Ti粉+C粉为按TiC的化学计量比进行配比的Ti粉和C粉。
以上所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，Ni78Si13Ti9为按原子百分比进行配比的Ni粉、Si粉和Ti粉。
以上所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，还可加入5ppm的B粉进行合金化，以提高涂层的室温韧性。
以上所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，所述Ni粉、Si粉、Ti粉、C粉和B粉的纯度大于99％，粉末粒度为100～300目。
以上所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其主要组成相为Ni3(Si，Ti)金属间化合物和TiC陶瓷相。
镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料的制备方法，采用激光进行熔覆，其工艺参数为：输出功率1000-1500W，扫描速度4-6mm/s，光斑直径4mm，熔覆时保护气体为Ar气，其步骤如下：
(1)按以上所述的配比，将涂层材料混合均匀，预先涂敷或热喷涂在镍基高温合金基体表面，厚度1～1.2mm；
(2)采用激光进行多层多道扫描熔覆，每道搭接1.8mm，获得不同厚度的熔覆层。
本发明以GH864镍基高温合金为基体进行的激光多层多道熔覆结果表明，激光熔覆Ni-Si-Ti-C预置粉末，可以获得原位自生TiC颗粒增强的Ni3(Si，Ti)复合涂层。衍射图中TiC峰和Ni3(Si，Ti)峰的出现证实在激光熔覆过程中TiC强化相可以由Ti和C直接原位反应形成，而Ni、Si和Ti反应生成Ni3(Si，Ti)金属间化合物。
本发明的有益之处在于：制备的镍三硅钛金属间化合物基复合涂层与基体呈冶金结合、涂层组织均匀并具有高硬度以及涂层厚度可控，可应用于镍基高温合金构件如烟汽轮机叶片等要求兼具高温抗硫化物腐蚀、冲蚀和耐磨性零部件的表面修复和改性。
附图说明
图1为Ni78Si13Ti9+20wt％(Ti+C)激光熔覆层的SEM显微组织照片，图中白色组织为TiC，浅灰色组织为Ni3(Si，Ti)，深灰色组织为Ni(Si)固溶体。图2为激光熔覆层的X射线衍射图，图3为熔覆层的显微硬度分布曲线。
具体实施方式
以下实施例采用设备为TJ-HL-T5000型CO2激光器，保护气体为Ar气。基体材料为GH864镍基高温合金。
实施例1：
(1)Ti粉和C粉按TiC的化学计量比进行配比，加入量控制在重量百分比为8wt％；余量为Ni粉、Si粉和Ti粉按原子百分比为Ni78Si13Ti9进行配比；此外，加入5ppm的B粉。
(2)Ni粉、Si粉、Ti粉、C粉和B粉的纯度大于99％，粉末粒度为100～300目。
(3)将混合粉末放入研钵中研磨混合均匀后烘干作为涂层材料。采用预置粉末方式进行激光多层多道熔覆。
(4)激光工艺参数为：输出功率1000-1100W，扫描速度4-6mm/s，光斑直径4mm，每道搭接1.8mm。
所制备的熔覆层厚度约1.5mm，维氏硬度达530Hv，涂层主要组织是Ni3(Si，Ti)金属间化合物、Ni(Si)固溶体和少量TiC陶瓷相。
实施例2：
(1)Ti粉和C粉按TiC的化学计量比进行配比，加入量控制在重量百分比为15wt％；余量为Ni粉、Si粉和Ti粉按原子百分比为Ni78Si13Ti9进行配比；此外，加入5ppm的B粉。
(2)Ni粉、Si粉、Ti粉、C粉和B粉的纯度大于99％，粉末粒度为100～300目。
(3)将混合粉末放入研钵中研磨混合均匀后烘干作为涂层材料。采用预置粉末方式进行激光多层多道熔覆。
(4)激光工艺参数为：输出功率1100-1300W，扫描速度4-6mm/s，光斑直径4mm，每道搭接1.8mm。
所制备的熔覆层厚度约1.5mm，维氏硬度达580Hv，涂层主要组织是Ni3(Si，Ti)、Ni(Si)和TiC。
实施例3：
(1)Ti粉和C粉按TiC的化学计量比进行配比，加入量控制在重量百分比为20wt％；余量为Ni粉、Si粉和Ti粉按原子百分比为Ni78Si13Ti9进行配比；此外，加入5ppm的B粉。
(2)Ni粉、Si粉、Ti粉、C粉和B粉的纯度大于99％，粉末粒度为100～300目。
(3)将混合粉末放入研钵中研磨混合均匀后烘干作为涂层材料。采用预置粉末方式进行激光多层多道熔覆。
(4)激光工艺参数为：输出功率1300-1500W，扫描速度4-6mm/s，光斑直径4mm，每道搭接1.8mm。
所制备的熔覆层厚度约1.5mm，维氏硬度达780Hv，如图1所示，涂层主要组织是Ni3(Si，Ti)和花瓣状TiC。
Claims (7)
1.镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其特征在于：涂层材料主要包含Ni、Si、Ti、C四种元素，其化学成分以重量百分比计：Ti粉+C粉为8％～20％，余量为Ni78Si13Ti9。
2.根据权利要求1所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其特征在于：Ti粉+C粉为按TiC的化学计量比进行配比的Ti粉和C粉。
3.根据权利要求1所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其特征在于：Ni78Si13Ti9为按原子百分比进行配比的Ni粉、Si粉和Ti粉。
4.根据权利要求1所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其特征在于：还可加入5ppm的B粉进行合金化，以提高涂层的室温韧性。
5.根据权利要求1或4所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其特征在于：所述Ni粉、Si粉、Ti粉、C粉和B粉的纯度大于99％，粉末粒度为100～300目。
6.根据权利要求1或4所述的镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料，其特征在于：其主要组成相为Ni3(Si，Ti)金属间化合物和TiC陶瓷相。
7.镍三硅钛金属间化合物-碳化钛陶瓷复合涂层材料的制备方法，采用激光进行熔覆，其工艺参数为：输出功率1000-1500W，扫描速度4-6mm/s，光斑直径4mm，熔覆时保护气体为Ar气，其步骤如下：
(1)按权利要求1所述配比，将涂层材料混合均匀，预先涂敷或热喷涂在镍基高温合金基体表面，厚度1～1.2mm；
(2)采用激光进行多层多道扫描熔覆，每道搭接1.8mm，获得不同厚度的熔覆层。
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