CN101979998B - 一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法，公开了一种基于实验定量表征热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中因氧化、熔化和反弹引起的碳化物损失的方法，该发明工艺简单，易于实现。可快速、灵活、方便地定量表征热喷碳化铬金属陶瓷涂层过程中不同阶段的碳化物损失。本发明表述的方法对于定量表征喷涂工艺条件对热喷涂碳化铬金属陶瓷涂层的形成过程碳化物损失的影响规律，优化涂层结构和喷涂工艺参数，制备高耐磨损金属陶瓷涂层提供研究方法与理论支撑。

Description

一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法

技术领域

本发明涉及一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法，尤其适合定量表征热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中碳化物损失机制。 

背景技术

热喷涂焰流大多为高温和氧化气氛，在热喷涂碳化物金属陶瓷涂层过程中过程中存在因氧化和碳化物颗粒碰撞基体瞬间反弹引起的损失。而金属陶瓷涂层的磨损性能与其碳化物大小、含量和分布具有密切关系。研究表明，热喷涂碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物粒子的含量明显低于原始喷涂粉末中碳化物粒子的含量，碳化物颗粒在沉积过程中存在氧化、熔化和反弹引起的损失。通常认为，热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中碳化物粒子的损失主要有三途径，一是金属陶瓷粉末碰撞基体前在喷涂火焰内加速加热阶段由于碳化物粒子熔化，二是金属陶瓷粉末碰撞基体瞬间由于碳化物粒子反弹；三是金属陶瓷粉末沉积过程由于碳化物氧化损失。然而，对于热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中碳化物损失目前还没有一种定量表征的方法。基于此，本专利发明了一种基于实验定量表征热喷碳化铬金属陶瓷涂层过程碳化物损失的方法，该方法具有易于开展，便捷快速，设备工艺简单。本发明对研究热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中粒子沉积行为，定量表征不同阶段和原因引起的碳化物损失提供了研究方法和理论基础，对优化热喷涂工艺参数，控制沉积涂层过程中的碳化物硬质相的损失，制备高耐磨损的金属陶瓷涂层具有重要意义。 

发明内容

本发明其目的就在于提供一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法，是寻找一种能对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中三种形式碳化物损失量定量表征的方法，具有工艺简单，易于实现的特点，可快速、灵活、方便地定量表征热喷碳化铬金属陶瓷涂层过程中不同阶段的碳化物损失。 

实现上述目的而采取的技术方案， 

包括： 

(1)运用背散射的成像照片和各种碳化物衬度不同，利用定量金相法定量统计在基体上喷涂涂层的碳化物的体积分数，f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6； 

(2)运用与基体喷涂条件相同确定的粒子飞行过程中因氧化失碳量ΔC_Y、Cr3C2和C的 分子量M_Cr3C2、M_C，可由公式(1)，求出由氧化引起的碳化物损失的重量分数Δf_WCr3C2Y： 

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{WCr}3C2Y}=\mathrm{\Δ}{C}_Y\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}---\left(1\right)$

(3)粒子与基体碰撞瞬间碳化物反弹引起的碳化物重量损失分数(Δf_CRW)，可根据Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6和C的分子量(M_Cr3C2、M_Cr7C3、M_Cr23C6、M_C)和粒子与基体碰撞瞬间碳化物反弹引起的失碳量ΔC_R，运用公式(2)确定： 

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{CRW}}=\mathrm{\Δ}{C}_R(f_{\mathrm{VCr}3C2}\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}+f_{\mathrm{VCr}7C3}\frac{M_{\mathrm{Cr}7C3}}{3M_C}+f_{\mathrm{VCr}23C6}\frac{M_{C23C6}}{6M_C})---\left(2\right)$

(4)根据基体上沉积涂层中碳含量C_S和Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6(M_Cr3C2、M_Cr7C3、M_Cr23C6、和C的分子量(M_C)以及三种碳化物的体积分数(f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6)，运用公式(3)可获得涂层中碳化物的理论重量分数，即碳全部以碳化物形式存在条件下的碳化物重量分数f_CCW； 

$f_{\mathrm{CCW}}=C_S(\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}{f}_{\mathrm{VCr}3c2}+\frac{M_{\mathrm{Cr}7C3}}{3M_C}{f}_{\mathrm{VCr}7C3}+\frac{M_{\mathrm{Cr}23C6}}{6M_C}{f}_{\mathrm{VCr}23C6})---\left(3\right)$

(5)根据涂层中三种碳化物体积分数(f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6)和密度(ρ_VCr3C2，ρ_Cr7C3，ρ_Cr23C6)、粘结相的密度(ρ_NiCr)及涂层的气孔率(P)，用式(4)可折算出涂层中碳化物的重量分数f_CVW； 

$f_{\mathrm{CVW}}=\frac{1}{(1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NiCr}}(1-f_{\mathrm{VCr}3C2}-f_{\mathrm{VCr}7C3}-f_{\mathrm{VCr}23C6})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}3c2}{f}_{\mathrm{VCr}3C2}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}7c3}{f}_{\mathrm{VCr}7C3}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}23c2}{f}_{\mathrm{VCr}23C6}})(1-P)}---\left(4\right)$

(6)根据按照碳含量折算的碳化物重量分数(f_CCW)与体积分数折算的重量分数(f_CVW)，运用式(4)可求出碳化铬金属陶瓷涂层沉积过程中，因碳化铬颗粒熔化引起的碳化铬含量减小的重量分数，Δf_CMW

Δf_CMW＝f_CCW-f_CVW。(5) 

与现有技术相比本发明的有益效果在于， 

由于采取了基于实验定量表征热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层过程中因氧化、熔化和反弹引起的碳化物损失的方法技术，因而该发明工艺简单，易于实现，可快速、灵活、方便地定量表征热喷碳化铬金属陶瓷涂层过程中不同阶段的碳化物损失。 

具体实施方式

包括： 

(1)运用背散射的成像照片和各种碳化物衬度不同，利用定量金相法定量统计在基体上喷涂涂层的碳化物的体积分数，f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6； 

(2)运用与基体喷涂条件相同确定的粒子飞行过程中因氧化失碳量ΔC_Y、Cr3C2和C的分子量M_Cr3C2、M_C，可由公式(1)，求出由氧化引起的碳化物损失的重量分数Δf_WC3C2Y： 

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{WCr}3C2Y}=\mathrm{\Δ}{C}_Y\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}---\left(1\right)$

(3)粒子与基体碰撞瞬间碳化物反弹引起的碳化物重量损失分数(Δf_CRW)，可根据Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6和C的分子量(M_Cr3C2、M_Cr7C3、M_Cr23C6、M_C)和粒子与基体碰撞瞬间碳化物反弹引起的失碳量ΔC_R，运用公式(2)确定： 

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{CRW}}=\mathrm{\Δ}{C}_R(f_{\mathrm{VCr}3C2}\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}+f_{\mathrm{VCr}7C3}\frac{M_{\mathrm{Cr}7C3}}{3M_C}+f_{\mathrm{VCr}23C6}\frac{M_{C23C6}}{6M_C})---\left(2\right)$

(4)根据基体上沉积涂层中碳含量C_S和Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6(M_Cr3C2、M_Cr7C3、M_Cr23C6、和C的分子量(M_C)以及三种碳化物的体积分数(f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6)，运用公式(3)可获得涂层中碳化物的理论重量分数，即碳全部以碳化物形式存在条件下的碳化物重量分数f_CCW； 

$f_{\mathrm{CCW}}=C_S(\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}{f}_{\mathrm{VCr}3c2}+\frac{M_{\mathrm{Cr}7C3}}{3M_C}{f}_{\mathrm{VCr}7C3}+\frac{M_{\mathrm{Cr}23C6}}{6M_C}{f}_{\mathrm{VCr}23C6})---\left(3\right)$

(5)根据涂层中三种碳化物体积分数(f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6)和密度(ρ_VCr3C2，ρ_Cr7C3，ρ_Cr23C6)、粘结相的密度(ρ_NiCr)及涂层的气孔率(P)，用式(4)可折算出涂层中碳化物的重量分数f_CVW； 

$f_{\mathrm{CVW}}=\frac{1}{(1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NiCr}}(1-f_{\mathrm{VCr}3C2}-f_{\mathrm{VCr}7C3}-f_{\mathrm{VCr}23C6})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}3c2}{f}_{\mathrm{VCr}3C2}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}7c3}{f}_{\mathrm{VCr}7C3}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}23c2}{f}_{\mathrm{VCr}23C6}})(1-P)}---\left(4\right)$

(6)根据按照碳含量折算的碳化物重量分数(f_CCW)与体积分数折算的重量分数(f_CVW)，运用式(4)可求出碳化铬金属陶瓷涂层沉积过程中，因碳化铬颗粒熔化引起的碳化铬含量减小的重量分数，Δf_CMW

Δf_CMW＝f_CCW-f_CVW。(5) 

所述的热喷涂方法可以是超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂或普通火焰喷涂。 

下面依照本发明的技术方案作出具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些实例。 

实例1：针对具体的超音速火焰喷涂(HVOF)制备Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层，选用Cr3C2-NiCr金属陶瓷粉末，氧含量的测定使用了美国Leco公司生产的RO-316型脉冲加热库仑定氧仪。碳含量的确定运用美国Leco公司生产的LS-344型红外吸收法碳硫测定仪。实验结果如下：在原始粉末C_P为8.48％，氧气流量为447L/min，燃气流量45.8L/min，喷涂距离为210mm的条件下，C_S为6.79％，C_W为8.32％，获得ΔC_Y为0.17％，ΔC_R为1.52％，Δf_CMW为16.73％，Δf_CRW为13％，Δf_CYW为1.27％。。 

实例2：针对具体的超音速火焰喷涂(HVOF)制备Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层，选用Cr3C2-NiCr金属陶瓷粉末，氧含量的测定使用了美国Leco公司生产的RO-316型脉冲加热库仑定氧仪。碳含量的确定运用美国Leco公司生产的LS-344型红外吸收法碳硫测定仪。实验结果如下：在原始粉末C_P为8.48％，氧气流量为368L/min，燃气流量37L/min，喷涂距离为210mm的条件下，C_S为6.54％，C_W为8.36％，运用公式(1)求得ΔC_Y为0.12％，求得ΔC_R为1.82％，Δf_CMW为12.95％，Δf_CRW为14％，Δf_CYW为0.9％。。 

实例3：针对具体的超音速火焰喷涂(HVOF)制备Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层，选用Cr3C2-NiCr金属陶瓷粉末，氧含量的测定使用了美国Leco公司生产的RO-316型脉冲加热库仑定氧仪。碳含量的确定运用美国Leco公司生产的LS-344型红外吸收法碳硫测定仪。实验结果如下：在原始粉末C_P为8.48％，氧气流量为447L/min，燃气流量37L/min喷涂距离为161.4mm的条件下，C_S为6.13％，C_W为8.32％，求得ΔC_Y为0.16％，运用公式(2)求得ΔC_R为2.19％。ΔC_Y为0.16％，Δf_CMW为10.83％，Δf_CRW为17％，Δf_CYW为1.6％。 

Claims (2)

1.一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法，其特征在于，包括：

(1)运用背散射的成像照片和各种碳化物衬度不同，利用定量金相法定量统计在基体上喷涂涂层的碳化物的体积分数，f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6；

(2)运用与基体喷涂条件相同确定的粒子飞行过程中因氧化失碳量ΔC_Y、Cr3C2和C的分子量M_Cr3C2、M_C，可由公式(1)，求出由氧化引起的碳化物损失的重量分数Δf_WCr3C2Y：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{WCr}3C2Y}=\mathrm{\Δ}{C}_Y\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}---\left(1\right)$

(3)粒子与基体碰撞瞬间碳化物反弹引起的碳化物重量损失分数(Δf_CRW)，可根据Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6和C的分子量(M_Cr3C2、M_Cr7C3、M_Cr23C6、M_C)和粒子与基体碰撞瞬间碳化物反弹引起的失碳量ΔC_R，运用公式(2)确定：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{CRW}}=\mathrm{\Δ}{C}_R(f_{\mathrm{VCr}3C2}\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}+f_{\mathrm{VCr}7C3}\frac{M_{\mathrm{Cr}7C3}}{3M_C}+f_{\mathrm{VCr}23C6}\frac{M_{C23C6}}{6M_C})---\left(2\right)$

(4)根据基体上沉积涂层中碳含量C_S和Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6(M_Cr3C2、M_Cr7C3、M_Cr23C6、和C的分子量(M_C)以及三种碳化物的体积分数(f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6)，运用公式(3)可获得涂层中碳化物的理论重量分数，即碳全部以碳化物形式存在条件下的碳化物重量分数f_CCW；

$f_{\mathrm{CCW}}=C_S(\frac{M_{{\mathrm{Cr}}_3{C}_2}}{2M_C}{f}_{\mathrm{VCr}3c2}+\frac{M_{\mathrm{Cr}7C3}}{3M_C}{f}_{\mathrm{VCr}7C3}+\frac{M_{\mathrm{Cr}23C6}}{6M_C}{f}_{\mathrm{VCr}23C6})---\left(3\right)$

(5)根据涂层中三种碳化物体积分数(f_VCr3C2，f_VCr7C3，f_VCr23C6)和密度(ρ_VCr3C2，ρ_Cr7C3，ρ_Cr23C6)、粘结相的密度(ρ_NiCr)及涂层的气孔率(P)，运用公式(4)可折算出涂层中碳化物的重量分数f_CVW；

$f_{\mathrm{CVW}}=\frac{1}{(1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{NiCr}}(1-f_{\mathrm{VCr}3C2}-f_{\mathrm{VCr}7C3}-f_{\mathrm{VCr}23C6})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}3c2}{f}_{\mathrm{VCr}3C2}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}7c3}{f}_{\mathrm{VCr}7C3}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}23c2}{f}_{\mathrm{VCr}23C6}})(1-P)}---\left(4\right)$

(6)根据按照碳含量折算的碳化物重量分数(f_CCW)与体积分数折算的重量分数(f_CVW)，运用公式(5)可求出碳化铬金属陶瓷涂层沉积过程中，因碳化铬颗粒熔化引起的碳化铬含量减小的重量分数，Δf_CMW

Δf_CMW＝f_CCW-f_CVW。(5)

2.根据权利要求书1所述的一种对热喷涂制备碳化铬金属陶瓷涂层中碳化物损失的定量表征方法，其特征在于，所述的热喷涂方法是指超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂或普通火焰喷涂。