CN102166652A - 一种热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法，属于热喷涂用粉末材料制造领域。首先按照比例称取钛粉、石墨粉/碳黑、其它金属组元配置原料粉末；将混合粉放入球磨罐中球磨，混料完成后将混合料压块，放入自蔓延高温合成反应器中，排除反应器中的空气后，点燃压块，引燃整个压块发生自蔓延反应。反应完成后开启机械泵抽真空，反应产物随炉冷却至室温，得到疏松多孔碳化钛基金属陶瓷块体。取出后去除表面污染物，然后将剩余产物破碎、筛分得到不同粒级的热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末。本发明制备方法具有合成时间短，节能环保，价格低廉等特点，适合于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种热喷涂用粉末材料（复合物）制造领域，特别是提供了一种热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法及粉末材料，适合工业化生产。
背景技术
传统的热喷涂用复合粉主要包括WC/Co，Cr3C2/NiCr等，采用的耐磨硬质颗粒为WC、Cr3C2等，一般采用机械混合法、烧结破碎法、造粒等离子球化法【US Patent：5126104】以及造粒烧结法【ZL 200510020875.9】等方法生产。
WC基复合粉只适用于500℃以下的环境中，若温度过高，则WC会发生氧化分解，其硬度、耐磨性均下降，导致热喷涂涂层的耐磨性显著降低。Cr3C2的硬度和熔点都较低，耐磨性相对不足，价格昂贵。而以TiC增强的金属复合涂层的耐磨性稳定，即使到高温1100℃也不会发生分解，热稳定性好。同时TiC还具有低密度、高硬度（Hv2400～3800）、摩擦系数小等优势，是一种工业上常见的高硬度耐磨材料。工业上制备碳化钛粉末的方法主要是采用TiO2和碳黑为原料，高温管式炉碳化制得，制得的粉末粒度较细，难以直接满足热喷涂粉末对粒度的要求，同时粉末颗粒表面“钝化”，与金属润湿性差，即使通过造粒也难以满足热喷涂粉末的需要。
自蔓延高温合成技术是一种利用化学反应自身放热制备材料的新技术，其最显著的特点就是充分利用元素间形成化合物时的高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来维持。SHS另一优点是合成时间极短，合成产物晶粒细小，通过控制后续破碎工序，粉末颗粒度可控，可以制备满足热喷涂需要的粉末粒度范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法及粉末材料。
本发明碳化钛基金属陶瓷粉末材料主要成分为TiC和金属（包括Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W等），将原料粉末钛粉、石墨粉/碳黑以及其它金属组分按照比例球磨混料后，压制成坯块，然后在氩气或真空条件下进行自蔓延高温合成反应，发生如下反应：Ti＋C→TiC。同时利用原料组元间反应放热实现金属组元包覆TiC颗粒，随炉冷却后，产物为疏松多孔状块体，清除表面污染物，破碎、球磨控制粉末颗粒大小，得到热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料，具体工艺为：
（1）原料粉末的均匀混合与压块
按照TiC－M（M为金属组元）的组成，采用钛粉，石墨粉/碳黑，其它金属组元（包括Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W等）配置原料粉末，其中钛粉和石墨粉/碳黑的重量比为4:1，其它金属组元占0.5～80wt％，针对不同的使用用途，不同的热喷涂方式，选择合适的金属组元比例。将上述配置的原料粉末装入球磨罐进行球磨混料，具体的球磨参数为：球料比1:1～1:3，转速30～80rpm，球磨时间1～5h，装料系数1/2～3/4，球磨方式为滚动球磨、行星球磨、三维摇臂混料以及搅拌球磨等方法的一种。混料完成后，将混合料压制成块。
（2）自蔓延高温合成碳化钛基金属陶瓷材料
将混合料坯块置于自蔓延高温合成反应器中，以0.3～2L/min的流量通入氩气 5～20分钟，排除反应器中的空气，给点火器钨丝通电点燃压块，引燃整个压块自蔓延反应，反应完成后开启机械泵抽真空，使反应器真空度保持<30Pa，反应产物随炉冷却至室温，得到疏松多孔碳化钛基金属陶瓷块体。
（3）反应产物的破碎、筛分
将合成的块体材料取出，去除表面与反应容器粘结造成的污染物，以及与点火钨丝接触的产物。然后将剩余产物电磁粉碎或球磨破碎成不同粒度的金属陶瓷粉末，针对不同的热喷涂方式，通过振动筛分得到适合于热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料。
本发明采用的其它金属组元为Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W等中的任何一种或它们的复合，总添加量0.5～80wt%，以单质金属的形式加入。
所述采用的原料粉末粒度均为0.1～30μm。
所述的其它金属组元的最终存在形式为包覆碳化钛颗粒表面，提高碳化钛颗粒与金属相之间的润湿性，以及后续热喷涂涂层与基材之间的结合强度。
所述的其它金属组元中包含的Cr、Mo、V、W元素与钛粉、石墨粉/碳黑等反应生成复式碳化物，改善硬质颗粒强度性能，进而提高碳化钛基金属陶瓷粉末喷涂涂层的室温、高温强度。
本发明的优点在于：
1．相比传统热喷涂粉末，发明了一种碳化钛基金属陶瓷喷涂粉末，原料价格较低，成本大大降低，相对WC基喷涂粉末使用温度提高，相对Cr3C2基喷涂粉末耐磨性提高，摩擦系数降低，有望成为一种新型的热喷涂用粉末材料。
2．采用自蔓延高温合成技术制备碳化钛基粉末，相比传统高温碳化技术，具有合成时间短、节能环保、粉末颗粒大小可控、粉末表面无钝化膜、氧含量低等特点。
3．各种金属组元以单质元素加入，自蔓延反应过程中与碳化钛颗粒粘结，以表面包覆的形式存在，与其它添加方式相比，可以保持碳化钛颗粒洁净表面，提高碳化钛与金属组元润湿性，进而提高粉末材料与喷涂基体材料之间的结合强度。
4．金属组元中含有Cr、Mo、V、W等元素，自蔓延反应过程中与Ti、C形成碳化物固溶体，提高粉末颗粒自身强度，进而改善后续热喷涂涂层的室温和高温强度。
具体实施方式
实施例1：
称取钛粉640g，石墨粉160g，铁粉60g，镍粉80g，钼粉40g，钨粉20g，钒粉20g，放入球磨罐中，加入2000g钢球，利用滚动球磨机进行球磨混料，球磨机转速50rpm，装料系数0.7，球磨时间3h。混料完成后利用粉末成型压机将混合料压制成直径100mm的压块，将坯块置于自蔓延高温合成反应器中，以0.5L/min的流量通入氩气10分钟，排除反应器中的空气，给点火器钨丝通电点燃压块，引燃整个压块发生自蔓延反应，反应完成后开启机械泵抽真空，使反应器真空度保持10～20Pa，反应产物随炉冷却至室温，得到疏松多孔碳化钛基金属陶瓷块体。取出后去除表面与反应容器粘结造成的污染物，以及与点火钨丝接触的产物。然后将剩余产物球磨破碎，通过振动筛分得到40～80μm粒级碳化钛基金属陶瓷粉末，适合于高速火焰喷涂、普通火焰喷涂，同时利用该粉末制成粉芯丝材，用于电弧喷涂。
实施例2：
称取钛粉640g，石墨粉160g，镍粉110g，钴粉20g，铬粉70g，放入球磨罐中，加入1500g钢球，利用滚动球磨机进行球磨混料，球磨机转速60rpm，装料系数0.6，球磨时间4h。混料完成后利用粉末成型压机将混合料压制成直径80mm的压块，将坯块置于自蔓延高温合成反应器中，以0.8L/min的流量通入氩气8分钟，排除反应器中的空气，给点火器钨丝通电点燃压块，引燃整个压块发生自蔓延反应，反应完成后开启机械泵抽真空，使反应器真空度保持10～20Pa，反应产物随炉冷却至室温，得到疏松多孔碳化钛基金属陶瓷块体。取出后去除表面与反应容器粘结造成的污染物，以及与点火钨丝接触的产物。然后将剩余产物球磨破碎，通过振动筛分得到20～44μm粒级碳化钛基金属陶瓷粉末，适合于真空等离子喷涂、大气等离子喷涂、超音速喷涂。
实施例3：
称取钛粉720g，石墨粉180g，镍粉30g，钨粉70g，放入球磨罐中，加入2500g钢球，利用滚动球磨机进行球磨混料，球磨机转速45rpm，装料系数0.75，球磨时间3.5h。混料完成后利用粉末成型压机将混合料压制成直径85mm的压块，将坯块置于自蔓延高温合成反应器中，以0.7L/min的流量通入氩气17分钟，排除反应器中的空气，给点火器钨丝通电点燃压块，引燃整个压块发生自蔓延反应，反应完成后开启机械泵抽真空，使反应器真空度保持10～20Pa，反应产物随炉冷却至室温，得到疏松多孔碳化钛基金属陶瓷块体。取出后去除表面与反应容器粘结造成的污染物，以及与点火钨丝接触的产物。然后将剩余产物球磨破碎，通过振动筛分得到40～80μm粒级碳化钛基金属陶瓷粉末，适合于爆炸喷涂。
Claims (4)
1.一种热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法，其特征在于：
步骤一：原料粉末的均匀混合与压块
采用钛粉、石墨粉、其它金属组元配置原料粉末，其中钛粉和石墨粉的重量比为4:1，其它金属组元占总质量分数的0.5～80％；将上述配置的原料粉末进行球磨混料，具体的球磨参数为：球料比1:1～1:3，转速30～80rpm，球磨时间1～5h，装料系数1/2～3/4；混料完成后，将混合料压制成块；
步骤二：自蔓延高温合成碳化钛基金属陶瓷材料
将混合料坯块置于自蔓延高温合成反应器中，以0.3～2升/分钟的流量通入氩气 5～20分钟，排除反应器中的空气，引燃整个压块自蔓延反应，反应完成后将反应中抽真空，使反应器真空度保持<30Pa，反应产物随炉冷却至室温，得到疏松多孔碳化钛基金属陶瓷块体；
步骤三：反应产物的破碎、筛分
将步骤二得到的陶瓷块体材料取出，去除表面污染物，然后将剩余产物进行电磁粉碎或球磨破碎成不同粒度的金属陶瓷粉末，通过振动筛分得到适合于热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料。
2.如权利要求1所述的热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的其它金属组元为Fe、Co、Ni、Cr、Mo、V、W中的一种或多种，并且其它金属组元以单质形式加入。
3.如权利要求1所述的热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的原料粉末粒度均为0.1～30μm。
4.如权利要求1所述的热喷涂用碳化钛基金属陶瓷粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的球磨混料的方式为滚动球磨、行星球磨、三维摇臂混料以及搅拌球磨方式中的任意一种。
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