CN101927586B

CN101927586B - 一种金属基体表面复合涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN101927586B
Application number: CN200910273092A
Authority: CN
Inventors: 索进平; 高继峰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: CN101927586A

Abstract

本发明公开了一种金属基体表面复合涂层及其制备方法，复合涂层包括与基体表面结合的TiC层，及依次位于TiC层上的混合层和Al₂O₃层，每一层厚度在20～50μm，涂层总厚度小于等于150μm，所述混合层由Al₂O₃和TiC构成，TiC为20～50wt％，所述基体为铬氏硬度＜40的金属材料。分别将将纳米TiC、Al₂O₃及二者的混合粉末分别进行喷雾造粒，分别筛选出粒径小于120μm粉体；利用TiC粉体在基体表面喷涂一层TiC，然后利用混合粉体在TiC层之上喷涂混合层，再利用Al₂O₃粉体在混合层上面喷涂Al₂O₃层；最后将喷涂后的样品放入氧化电炉中，在500℃以上热处理1小时以上，期间不断开炉放入空气。本发明提供的复合涂层不仅隔热、防渗透性能良好，而且具有良好的自愈合功能，在反复热冲击后表现出良好的致密性。

Description

一种金属基体表面复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于金属表面处理技术，具体涉及一种金属基体表面复合涂层及其制备方法，它主要针对合金及其它金属制品的表面处理，尤其是涉及高温合金、发动机和各种结构钢的防腐蚀、防渗透及绝热涂层。

背景技术

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀等优良的性能，作为涂层的陶瓷在隔热、抗氧化、防渗透等技术领域有着广泛的应用。但是，陶瓷材料的脆性在很大程度上影响了材料性能的可靠性和一致性。

在工业化生产中，由于陶瓷涂层的一次利用性，如果涂层中存在裂纹，使用过程中由于裂纹扩展效应将很快使整个产品失效从而导致经济利益损失。常规的陶瓷涂层主要存在孔隙率高、与基体热匹配差、易产生裂纹等缺点，对基体的有效保护温度范围较窄，抗氧化、隔热或防渗透能力较差。如果能够使涂层在实际应用环境中具有自行愈合裂纹的能力，那么将会在很大程度上延长材料的使用寿命并提高经济效益。

当前工业生产中，关于表面裂纹自愈合材料的探索和应用多集中在Al₂O₃/SiC复合材料的研究上。郑治祥(郑治祥，金志浩，等.Al₂O₃/SiC_w复合材料表面裂纹的高温自愈合与氧的传输[J].硅酸盐学报.2005，33(2)：155-159.)等研究了Al₂O₃/SiC_w复合材料表面裂纹的高温自愈合的机理，实验表明这种自愈合材料只能在超过1000℃的高温下才具有自愈合的功能，一方面自愈合要求温度较高，另一方面也不适于涂层的制备。

而目前，Al₂O₃/TiC复合材料还没有运用到涂层设计上。Al₂O₃/TiC复合材料具有常规结构陶瓷的特能，与其它结构陶瓷材料一样，Al₂O₃/TiC复合材料因其对结构缺陷十分敏感，在外加载荷作用下表面缺陷往往是材料发生破坏的断裂源。但是通过合适的制备以及热处理工艺使涂层中的裂纹与孔隙自行愈合或减少，可以有效弥补这些缺点，同时，Al₂O₃/TiC复合材料自愈合要求的温度较低(一般400℃以上即可发生裂纹填充的变化)，这对于高温合金、发动机和各种结构钢的防腐蚀、防渗透及绝热致密涂层的制备具有较大的优势。因此，研究Al₂O₃/TiC复合涂层裂纹愈合方法，探索裂纹愈合机理具有重要的理论及工程意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属基体表面复合涂层，该复合涂层不仅隔热、防渗透性能良好，而且具有良好的自愈合功能，在反复热冲击后表现出良好的致密性；本发明还提供了该复合涂层的制备方法。

本发明提供的金属基体表面复合涂层，其特征在于：该金属基体表面复合涂层包括与基体表面结合的TiC层，及依次位于TiC层上的混合层和Al₂O₃层，每一层厚度在20微米到50微米之间，涂层总厚度小于等于150微米，所述混合层由Al₂O₃和TiC构成，其中，TiC的质量百分比为20％到50％，所述基体为铬氏硬度＜40的金属材料。

上述金属基体表面复合涂层的制备方法为：

(1)将纳米TiC与Al₂O₃粉末分别进行喷雾造粒，造粒后分别筛选出粒径小于120μm的TiC粉体和Al₂O₃粉体；将纳米TiC与Al₂O₃粉末按照上述比例混合均匀后进行喷雾造粒，筛选出粒径小于120μm的混合粉体；将基体表面清洗去油后进行喷砂处理，增加表面的粗糙度；

(2)首先利用TiC粉体在基体表面喷涂一层TiC，然后利用混合粉体在TiC层之上喷涂混合层，最后利用Al₂O₃粉体在混合层上面喷涂Al₂O₃层；

(3)将喷涂后的样品放入氧化电炉中，在500℃以上热处理1小时以上，期间不断开炉放入空气。

针对传统陶瓷涂层易脱落、易产生裂纹及孔隙率高的缺点，提供了一种碳化物增强陶瓷复合涂层与制备方法。该方法制备的涂层不仅隔热性能良好，而且具有良好的自愈合功能，在反复热冲击后表现出良好的致密性，可有效应用在抗氧化、防腐蚀、隔热以及防气体渗透等技术领域。

涂层材料采用TiC粉体作为打底层，利用其受热氧化膨胀的特性，在基体受热膨胀的过程中仍然能够使整个涂层与基体保持较强的结合力；采用Al₂O₃/TiC混合粉体作为过渡层，使最上层的Al₂O₃能够通过过渡层与底层乃至基体结合良好。

涂层的制备采用等离子喷涂的方法，喷涂过程中能将Al₂O₃和TiC粉体加热到熔融或者半熔融的状态，有助于和基体金属的牢固结合，同时适用于各种复杂设备的表面处理。

附图说明

图1是涂层结构示意图；图2是热处理之前涂层截面SEM图片；图3是热处理之后涂层截面SEM图片。

具体实施方式

本发明所述的自愈合复合涂层，可作为防氚渗透涂层及其他涉及隔热、防氧化等设备的热胀涂层。基体为钢、铝或其他合金等金属材料。主要采用大气等离子喷涂或者真空喷涂等方式制备。使用TiC等碳化物作底层、混合材料作为中间层，目的主要是在顶层陶瓷与基体之间形成一个既具有梯度作用，又具有自愈合功能的过渡层。

如图1所示，本发明提供的金属基体表面复合涂层由与基体表面结合的TiC层，及依次位于TiC层上的混合层和Al₂O₃层，每一层厚度在20微米到50微米之间，涂层总厚度应小于150微米，所述混合层由Al₂O₃和TiC构成，其中，TiC的质量百分比为20％到50％。

基体可以是由合金、结构钢等金属材料构成的各种设备，在涂层制备之前必须经过去油处理。

上述复合涂层的制备方法为：

(1)将纳米TiC与Al₂O₃粉末分别进行喷雾造粒，造粒后分别筛选出粒径小于120μm的TiC粉体和Al₂O₃粉体(其优选值为小于80μm)；将纳米TiC与Al₂O₃粉末按照上述比例混合均匀后进行喷雾造粒，筛选出粒径小于120μm的混合粉体(其优选值为小于80μm)；将金属基体(铬氏硬度＜40)表面清洗去油后进行喷砂处理，增加表面的粗糙度(有助于涂层与基体的良好结合)

用以喷涂的TiC与Al₂O₃粉末由纳米颗粒造粒而成，造粒后的粉体颗粒内部仍然保持细微的纳米结构，这将有助于形成致密的涂层。混合粉末造粒过程中，纳米TiC的含量根据实际工作环境的不同按照20％、30％、40％、50％的质量百分比进行调整。造粒后三种粉末的粒径均小于120μm，粒径过大则制备的涂层厚度不易控制并且空隙较多。

基体金属的铬氏硬度应小于40，硬度过高则不利于喷涂过程中涂层与基体表面的粘结。为增加涂层的附着力，在喷涂之前，对基体表面进行去油和喷砂的处理。

(2)使用空气等离子喷涂的方法首先利用TiC粉体在基体表面喷涂一层TiC，然后利用混合粉体在TiC层之上喷涂混合层，最后利用Al₂O₃粉体在混合层上面喷涂Al₂O₃层；

复合涂层由三层材料构成，如图1所示，TiC层作为粘结层保证了TiC/Al₂O₃混合层能够与其结合牢固，并且其在高温下的氧化膨胀也在一定程度上与基体相匹配，提高了涂层与基体的粘结力。TiC/Al₂O₃混合层作为自愈合材料同时又起到过渡层的作用，使得Al₂O₃功能顶层与之粘结良好。在高温下，涂层中的TiC发生氧化反应，一方面体积发生膨胀向周围扩展，另一方面，反应时生成的TiO₂以流动的方式进入孔隙中，愈合裂纹，起到致密化的作用。

(3)将喷涂后的样品放入氧化电炉中，在500℃以上热处理1小时以上，期间不断开炉放入空气，从而获得致密的，具有良好自愈合功能的陶瓷复合涂层。

实例1：

(1)将粒径分别为30nm和40nm的TiC与Al₂O₃粉末分别进行喷雾造粒；按照质量比4∶6的比例将TiC与Al₂O₃混合造粒，控制进水量，使造粒后的颗粒在100μm左右。将造粒所得的粉末在130℃的电炉中烘干30分钟，之后使用200目的试验筛分离出粒径小于80μm的粉体。

(2)将试验用马氏体钢(铬氏硬度＝20)基体置入丙酮中进行超声波清洗，去掉表面的油污；干燥以后利用在喷砂机对基体表面进行粗化处理，使用粒径为60μm的棕刚玉作为砂料。

(3)依照下述喷涂参数依次喷涂各层。在每一层喷涂过后，立即喷涂其上层，否则各层之间易出现裂纹。

使用空气等离子喷涂设备制备涂层，针对TiC和Al₂O₃粉末使用不同的工艺参数，如下表：

喷涂参数	TiC	TiC/Al₂O₃	Al₂O₃
				电流(A)	500	450	450
电压(V)	80	70	70
				主气(N₂)(L/min)	45	45	45
次气(Ar)(L/min)	30	30	30
				送粉气(N₂)(L/min)	3	3	3
送粉速度(g/min)	30	30	30
				喷涂距离(mm)	80	80	90
喷涂速度(mm/s)	35	35	35

(4)对制得的TiC+TiC/Al₂O₃+Al₂O₃复合涂层进行初步的热处理：将喷涂样品放入电炉中，升温至800℃后保温处理，每10分钟开炉门放入外部空气，3小时后取出，在高倍显微镜下可以明显看出与热处理之前(图2)相比，涂层内部变得更加致密(图3)，大部分裂纹已经消失，涂层表现出良好的自愈合能力。

(5)将涂层试样放入800℃电炉内，保温10分钟后，取出迅速投入水中(20±5℃)淬冷，而后再次放入炉内，重复此过程；检测结果表明，本发明所制备的自愈合涂层承受此条件下的热冲击100次以后，仍然没有出现裂纹或者脱落。

(6)使用孔隙率分析软件对涂层的孔隙进行分析，在多次热冲击后，涂层内部的孔隙率下降了90％以上，证明涂层具有良好的自语愈合能力。

实例2：

(1)将粒径分别为30nm和40nm的TiC与Al₂O₃粉末分别进行喷雾造粒；按照质量比2∶8的比例将TiC与Al₂O₃混合造粒，控制进水量，使造粒后的颗粒小于200μm。将造粒所得的粉末在130℃的电炉中烘干30分钟，之后使用200目的试验筛分离出粒径小于80μm的粉体。

(2)将试验用马氏体钢(铬氏硬度＝25)基体置入丙酮中进行超声波清洗，去掉表面的油污；干燥以后利用在喷砂机对基体表面进行粗化处理，使用粒径为60μm的棕刚玉作为砂料。

(3)依照实例1中的喷涂参数依次喷涂各层。在每一层喷涂过后，立即喷涂其上层。

(4)对制得的TiC+TiC/Al₂O₃+Al₂O₃复合涂层进行初步的热处理：将喷涂样品放入电炉中，升温至800℃后保温处理，每10分钟开炉门放入外部空气，3小时后取出，在高倍显微镜下可以明显看出与热处理之前相比，涂层内部变得更加致密，大部分裂纹已经消失，涂层表现出良好的自愈合能力。

实例3：

(1)将粒径分别为30nm和40nm的TiC与Al₂O₃粉末分别进行喷雾造粒；按照质量比3∶7的比例将TiC与Al₂O₃混合造粒，控制进水量，使造粒后的颗粒小于200μm。将造粒所得的粉末在130℃的电炉中烘干30分钟，之后使用200目的试验筛分离出粒径小于80μm的粉体。

实例4：

(1)将粒径分别为30nm和40nm的TiC与Al₂O₃粉末分别进行喷雾造粒；按照质量比5∶5的比例将TiC与Al₂O₃混合造粒，控制进水量，使造粒后的颗粒小于200μm。将造粒所得的粉末在130℃的电炉中烘干30分钟，之后使用200目的试验筛分离出粒径小于80μm的粉体。

本发明除可以采用空气等离子喷涂方法进行喷涂外，还可以采用真空等离子喷涂或者其他热喷涂方法进行喷涂。

采取以上方案，在高温环境中，涂层内部的TiC发生一定程度的氧化反应，其产物膨胀并扩散填充了涂层中的裂纹与空隙，在工作环境中自行减少了裂纹，起到了自修复的作用。

上述涂层根据不同设备的需求，可以有多种相似材料的类似组合及工艺方法，涂层厚度也可以有不同的数值范围，但均属于本发明的设计思路，应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金属基体表面复合涂层，其特征在于：该金属基体表面复合涂层包括与基体表面结合的TiC层，及依次位于TiC层上的混合层和Al₂O₃层，每一层厚度在20微米到50微米之间，涂层总厚度小于等于150微米，所述混合层由Al₂O₃和TiC构成，其中，TiC的质量百分比为20%到50%，所述基体为铬氏硬度＜40的金属材料。

2.一种权利要求1所述金属基体表面复合涂层的制备方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

（1）将纳米TiC与Al₂O₃粉末分别进行第一次喷雾造粒，造粒后分别筛选出粒径小于120μm的TiC粉体和Al₂O₃粉体；将纳米TiC与Al₂O₃粉末按照上述比例混合均匀后进行第二次喷雾造粒，筛选出粒径小于120μm的混合粉体；将基体表面清洗去油后进行喷砂处理，增加表面的粗糙度；

（2）首先利用TiC粉体在基体表面喷涂一层TiC，然后利用混合粉体在TiC层之上喷涂混合层，最后利用Al₂O₃粉体在混合层上面喷涂Al₂O₃层；

（3）将喷涂后的样品放入氧化电炉中，在500℃以上热处理1小时以上，期间不断开炉放入空气。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，第一次喷雾造粒后，筛选出的TiC粉体和Al₂O₃粉体的粒径小于80μm，第二次喷雾造粒后，筛选出的纳米TiC与Al₂O₃混合粉体的粒径小于80μm。