CN101705410A - 激光熔覆用耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷 - Google Patents

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吴淑琴
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Abstract

本发明提供一种多元铝硅碳氮化物金属陶瓷，这是一种内生多元铝化物和硅化物-镍铁基合金与碳氮化物复合的金属陶瓷。其成分(原子百分数，记作at.％)为：C：2.0-20.0at％，Cr：5.0-40.0at.％，Al：1.0-25.0at.％，Si：2.0-25.0at％，N：1.0-10.0at.％，W：2.0-10.0at.％，Ti：4.0-20.0at.％，Ni：5.0-30.0at.％，Fe：5.0-30.0at.％，Y：0.1-5.0at.％，Ce：0.1-5.0at.％，B：0.5-5.0at.％，其它元素：0.5-5.0at.％。用特制胶粘剂将多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉调制成这种金属陶瓷复合粉膏。适用于在金属工件表面脉冲激光熔覆制作耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层。

Description

激光熔覆用耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷
技术领域
本发明属于高性能新材料技术领域，特别涉及一种激光熔覆用耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷。
背景技术
随科技发展，冶金、机械、能源、动力、石油化工等领域，为提高设备的效率和产能，要求零部件在更高的温度环境下工作。零部件经受高温热磨损、热腐蚀，零部件的报废主要是因表面磨损、腐蚀损伤。本项发明是一种激光熔覆用新型多元铝硅碳氮化物金属陶瓷。适用于，用具有一定能量密度的激光束，在金属工件表面熔覆耐热、耐磨、抗高温氧化、抗热腐蚀的新型多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层，使工件可在高温、腐蚀介质中长时稳定运行，有较高的耐磨、抗氧化、抗热腐蚀性能，有较高的使用寿命。且可用于磨损、腐蚀工件表面修复。
发明内容
本发明提供一种多元铝硅碳氮化物金属陶瓷，这种金属陶瓷可用高能量密度脉冲激光束在铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛合金基体上熔覆，制作耐热、耐磨抗高温氧化、抗热腐蚀金属陶瓷涂层。熔覆的金属陶瓷与铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛合金基体表层能很好的熔合，形成冶金结合。这种多元铝硅碳氮化物金属陶瓷，比现有的碳化钛金属陶瓷有更高的耐高温氧化、抗熔盐热腐蚀性能。可以满足现代科技与工业对同时具有高耐磨性又耐高温氧化、抗熔盐热腐蚀材料的需求。
本发明的特征是以多元铝硅化物合金与碳氮化物相复合构成多元铝硅碳氮化物金属陶瓷。其中多元铝硅化物合金是一种内生多元铝化物和硅化物-镍铁基合金。内生多元铝化物和硅化物都具有较高的耐高温热稳定性和高的抗氧化抗热腐蚀性能。同时又有较高的硬度(750-1200HV)，弥散分布在镍铁基合金基体中，且因其是内生硬质相，与基体有很好的结合。镍铁基合金基体溶有Cr、Al、Si、稀土元素、Mo、W等合金元素。内生多元铝化物和硅化物-镍铁基合金的成分还保证其对碳氮化物粒子有良好的润湿与熔合。多元铝化物和硅化物-镍铁基合金在激光熔覆的快速冷却条件下得到晶粒细小(尺度在0.5-20μm范围)的γ-相基体，保证基体有较高的韧性；合金基体上分布有细小弥散的多元铝化物和硅化物。同时激光熔覆过程中高硬度的碳氮化物粒子在脉冲激光的快速加热、快速冷却条件下部分熔化均匀弥散分布在多元铝化物和硅化物-镍铁基合金中，构成具有高耐磨性又耐高温氧化、抗熔盐热腐蚀的多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层。本发明在所设计的金属陶瓷中加入稀土元素改善材料在高温环境中的氧化行为、与多元铝硅化物合金的组成相结合，促进有保护性的氧化膜的形成，提高金属陶瓷的抗高温氧化耐热腐蚀性能。
多元铝硅碳氮化物金属陶瓷的成分(原子百分数，记作at.％)：C：2.0-24.0at％，Cr：5.0-40.0at.％，Al：1.0-25.0at.％，Si：2.0-25.0at％，N：1.0-15.0at.％，W：2.0-10.0at.％，Mo：0.2-10.0at.％，Ti：4.0-20.0at.％，Ni：5.0-30.0at.％，Fe：5.0-30.0at.％，Y：0.1-5.0at.％，Ce：0.1-5.0at.％，B：0.5-5.0at.％，其它元素：0.5-5.0at.％.
多元铝硅碳氮化物金属陶瓷材料的制备：
1)熔炼-惰性气体雾化预制多元铝硅化物合金粉末：多元铝硅化物合金是按其化学成分配比，配制炉料，用感应炉熔炼，至炉料完全熔化，液态合金在感应炉内感应加热搅拌均匀后，经惰性气体雾化制得多元铝硅化物合金粉末，筛分得粒径在0.10mm以下的多元铝硅化物合金粉末备用；
2)混料-球磨制备多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉：将制得的粒径在0.10mm以下的多元铝硅化物合金粉末与粒径在0.10mm以下碳氮化物粉末按要求的配比混合均匀，再用球磨机球磨24小时制得多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉。
多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉膏的制备：
用特制胶粘剂将多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉调制成这种金属陶瓷复合粉膏。所用胶粘剂保证在随后的工艺过程中不产生任何污染物或有害气体。
激光熔覆多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层的制作：
将多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉膏均匀涂抹在金属工件表面，用脉冲激光将其熔覆在金属工件表面，制得激光熔覆高耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层。
激光熔覆多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层在高温氧化过程中，在其表面形成Al2O3，SiO2，Cr2O3，TiO2，以及尖晶石型复合氧化物氧化膜，比现有的金属陶瓷有更高的耐氧化性能。高的抗熔盐(如：850℃Na2SO4-NaCl熔盐)热腐蚀性能(经850℃Na2SO4-NaCl熔盐4小时热腐蚀后激光熔覆多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层试样保持完好，常规碳化钛金属陶瓷试样被严重腐蚀)。高的耐磨性(在MM-200环-块式磨损试验机上进行的磨损试验结果表明，其耐磨性比Cr25Ni20不锈钢高8倍)。
实施例
1)将多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉膏涂覆在高速线轧生产线上使用的热作模具钢制导位辊表面。用300WNd-YAG脉冲激光器，以光斑直径3mm、脉宽10ms、频率8Hz、光斑移动线速度480mm/min的参数进行熔覆。熔覆2层，每层厚度为0.20-0.25mm。制得表面有激光熔覆多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉膏涂覆的导位辊。在在高速线轧生产线上经受线速度达120m/s、温度在900℃以上的被轧制钢线材的热磨损，其使用寿命为高合金热作模具钢导位辊的3倍以上。
2)一种经受高温氯离子、硫化物热(800℃以上)腐蚀、热磨损、热冲蚀、表面严重损伤的涡轮机转子轴，用脉冲激光熔覆多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层予以修复，经使用得到良好的结果。

Claims (5)

1.本发明的多元铝硅碳氮化物金属陶瓷，是一种内生多元铝化物和硅化物-镍铁基合与碳氮化物复合的金属陶瓷，所述金属陶瓷的成分为(按原子百分数，记作at.％)：C：5.0-24.0at％，Cr：5.0-35.0at.％，Al：1.5-25.0at.％，Si：2.0-25.0at％，N：4.0-15.0at.％，W：2.0-10.0at.％，Mo：0.2-10.0at.％，Ti：5.0-20.0at.％，Ni：5.0-30.0at.％，Fe：5.0-30.0at.％，Y：0.1-5.0at.％，Ce：0.1-5.0at.％，B：0.5-5.0at.％，其它元素：0.5-5.0at.％。
2.根据权利要求1所述的多元铝硅碳氮化物金属陶瓷，其成分为(原子百分数，记作at.％)：C：4.0-24.0at％，Cr：5.0-35.0at.％，Al：1.0-25.0at.％，Si：2.0-25.0at％，N：1.0-10.0at.％，W：2.0-8.0at.％，Mo：0.2-10.0at.％，Ti：6.0-20.0at.％，Ni：5.0-30.0at.％，Fe：5.0-30.0at.％，Y：0.1-5.0at.％，Ce：0.1-5.0at.％，B：0.5-5.0at.％，其它元素：0.5-5.0at.％。
3.根据权利要求1所述的多元铝硅碳氮化物金属陶瓷，其成分为(原子百分数，记作at.％)：C：2.0-20.0at％，Cr：5.0-40.0at.％，Al：1.0-25.0at.％，Si：2.0-25.0at％，N：1.0-10.0at.％，W：2.0-10.0at.％，Mo：0.2-10.0at.％，Ti：4.0-19.0at.％，Ni：5.0-30.0at.％，Fe：5.0-30.0at.％，Y：0.1-5.0at.％，Ce：0.1-5.0at.％，B：0.5-5.0at.％，其它元素：0.5-5.0at.％。
4.根据权利要求1、2、3所述多元铝硅碳氮化物金属陶瓷的制备方法：内生多元硅化物和铝化物-镍铁基合金是经配料、熔炼-雾化预制成粉，将制得的粒径在0.10mm以下的多元铝硅化物合金粉末与粒径在0.10mm以下碳氮化物粉末按要求的配比混合均匀，再用球磨机球磨制得多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉，用特制胶粘剂将多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉调制成这种金属陶瓷复合粉膏。
5.根据权利要求1、2、3所述多元铝硅碳氮化物金属陶瓷的用途：将按权利要求4制得的多元铝硅碳氮化物金属陶瓷复合粉膏涂敷于金属工件表面，用脉冲激光熔覆制作耐磨抗热腐蚀多元铝硅碳氮化物金属陶瓷涂层。
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