CN102179501B - 一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法 - Google Patents
一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法，涉及金属间化合物基表面复合涂层，本发明采用Ti-C-Al体系的Al、Ti、C粉末为原料，按TiC的体积分数20－40％混合均匀并压制得到一定厚度的预制块，干燥后采用有机粘结剂粘贴于干燥后的铸型型壁内；预热铸型后，浇入钢或铁液，冷却后在钢或铁件表面形成TiC/Al3Ti金属间化合物基复合材料涂层。本发明具有工艺简便、成本低、涂层结合力强、综合性能好等特点，可广泛用于铸钢或铸铁件的表面强化和抗氧化。
Description
技术领域
本发明涉及金属间化合物基表面复合涂层，特指一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法。
背景技术
现代工业的发展迫切需要能在高温、腐蚀和剧烈磨损工况下工作的构件,单一的钢铁材料越来越难以满足要求。在构件的表面或特殊部位获得特殊性能涂层是最为经济和有效的措施之一。
目前大多数采用陶瓷颗粒增强金属基复合材料作为钢铁材料的涂层，如利用Ti-C-Al、Ti-C-Fe、Ti-C-Al-Fe、Ti-C-Ni体系在钢的表面形成TiC/Fe复合材料。这种钢基复合材料具有高的耐磨性，但其耐热和抗腐蚀性较差。
为了解决这一问题，中国专利ZL200610038185.0公开了一种采用Cast-SHS工艺和Ti-C-Al-Ni体系制备 TiC/Ni3Al内生陶瓷颗粒增强金属间化合物基表面复合材料。这种涂层不仅具有高的抗磨性，还具有较高的耐热和抗腐蚀性能，是一种非常理想的涂层材料，然而在该涂层中含有大量的贵重金属镍，增加了涂层的成本。
发明内容
本发明的目的是选用采用已有无镍的Ti-C-Al体系通过Cast-SHS工艺制备内生陶瓷颗粒增强金属间化合物基表面复合材料涂层，即TiC/Al3Ti。
我们发现，Al3Ti和Ni3Al作为金属间化合物，具有类似的高耐热和抗腐蚀性，而在现有技术中Ti-C-Al体系被常用于反应合成TiC颗粒和铝，反应过程中Al3Ti作为过渡相，而本发明采用的Ti-C-Al体系中增加了铝的含量，即按Ti、C及Al、Ti摩尔比分别为1：1、3：1配比,使Al3Ti和TiC成为最终相，具有高的耐热、抗腐蚀性和耐磨性，在理论上具有创新性。
本发明采用Ti-C-Al体系和型内浇注反应合成法在钢铁表面制得了TiC/Al3Ti陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合涂层，避免了一般形成的TiC/Fe复合涂层的耐热和抗腐蚀性较差的缺点和TiC/Ni3Al涂层较高的成本，具有节能、节材、成本低、工艺简便等优点，可广泛用于铸件表面或局部的强化。
本发明的技术方案为：将Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩尔比分别为1：1、3：1配比及Ti、C占混合粉末质量百分总量的20％～40％进行称量，在行星式球磨机上混粉12～24h，混合均匀后的粉末在压机上压制成2～10mm厚的坯块，并在真空状态下干燥2～5小时，采用有机粘结剂粘贴预制块于空干后的砂型型壁,然后预热，浇入温度为1400～1600℃铁水或钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得到TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
本制备方法宜采用以下工艺参数为佳：
将Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩尔比分别为1：1、3：1配比及Ti、C占混合粉末质量百分总量的30％～40％进行称量，把混合粉末在行星式球磨机上混粉24h，混合均匀后的粉末压制成2～5mm厚的坯块，并在150℃真空状态下干燥5小时，采用3%的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30 min后，浇入温度为1400～1600℃的铁水或钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
Al3Ti的熔点高、密度低、热导率大，具有高温强度好、高温抗蠕变性能强、抗腐蚀、抗氧化性能等优点，TiC陶瓷颗粒密度低、硬度高、高温强度和热稳定性好，是复合材料理想的增强体，TiC陶瓷颗粒增强Al3Ti基复合材料可以在保留基体原有性能的同时，提高复合材料的高温强度，且Al3Ti和TiC之间有良好的界面相容性，Al3Ti合成温度较低（650℃），易于点燃，其放热足以完成TiC 的合成，反应完全，TiC放热大，有利于涂层致密和增强与基体的结合力，质量稳定性高。
由图1－图7可见，在Al 、Ti、C四种粉末元素组成的系统中，经过高温铁液引发其发生SHS反应，Al3Ti和TiC是最终稳定存在的两个相，反应合成完全，涂层产物纯净，界面处实现了良好的冶金结合。随着TiC含量的增加，颗粒尺寸逐渐减小，其形貌由长条状向粒状转化。
附图说明
图1 铁基表面复合涂层XRD分析；
图2 20% TiC/Al3Ti界面光镜图；
图3 20% TiC/Al3Ti涂层表面扫描电镜图；
图4 30%TiC/Al3Ti界面光镜图；
图5 30%TiC/Al3Ti涂层表面扫描电镜图；
图6 40% TiC/Al3Ti界面光镜图；
图7 40% TiC/Al3Ti涂层表面扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
制取TiC(20wt%)/Al3Ti 涂层
采用纯度≥99.8%的Ti粉（500目）、纯度≥99.85%的石墨粉（颗粒度≤30μm）、纯度≥98%的Al粉（300目），按Ti、C及Al、Ti分别为摩尔比1：1和3：1配比配料，Ti、C占混合粉末总量的20％，在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3：1（磨球为玛瑙球），混合均匀后的粉末在10吨压机上压制成ф20mm×2mm的坯块，致密度为55％，并在150℃真空状态下干燥5小时，然后用3%的PVA水溶液粘贴预制块于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1400℃铁液，发生反应复合和致密化，凝固后得到20wt% TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
实施例2
制取TiC(30wt%)/Al3Ti涂层
采用纯度≥99.8%的Ti粉（300目）、纯度≥99.85%的石墨粉（颗粒度≤30μm）、纯度≥98%的Al粉（300目），按Ti、C及Al、Ti分别为摩尔比1：1和3：1配比配料，Ti、C占混合粉末总量的30％，在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3：1（磨球为玛瑙球），混合均匀后的粉末在10吨压机上压制成ф20mm×3mm的坯块，致密度为58％，并在150℃真空状态下干燥5小时，然后用3%的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30min后，浇入温度为1400℃铁液，发生反应复合和致密化，凝固后得到30wt%TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
实施例3
制取TiC(40wt%)/Al3Ti涂层
采用纯度≥99.8%的Ti粉（300目）、纯度≥99.85%的石墨粉（颗粒度≤30μm）、纯度≥98%的Al粉（300目），按Ti、C及Al、Ti分别为摩尔比1：1和3：1配比配料，Ti、C占混合粉末总量的40％，在行星式球磨机上混粉24h，球料比为3：1（磨球为玛瑙球），混合均匀后的粉末在10吨压机上压制成ф20mm×8mm的坯块，致密度为52％，并在150℃真空状态下干燥5小时，然后用3%的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁,在400℃的条件下预热30min后,浇入温度为1600℃钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得到40wt%TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
Claims (3)
1.一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法，以Ti-C-Al体系的Al、Ti、C粉末为原料，混合均匀并压制得到一定厚度的预制块，干燥后采用有机粘结剂粘贴于干燥后的铸型型壁内；预热铸型后，浇入钢或铁液，冷却后在钢或铁件表面形成金属间化合物基复合材料涂层，其特征在于：在Ti-C-Al体系中增加铝的含量，即按Ti、C及Al、Ti摩尔比分别为1：1、3：1配比，Ti、C占混合粉末质量百分总量的20％～40％，使得原来作为过渡相的Al3Ti和TiC一起成为最终相；Al3Ti的熔点高、密度低、热导率大，具有高温强度好、高温抗蠕变性能强、抗腐蚀、抗氧化性能，TiC陶瓷颗粒密度低、硬度高、高温强度和热稳定性好，是复合材料理想的增强体，TiC陶瓷颗粒增强Al3Ti基复合材料可以在保留基体原有性能的同时，提高复合材料的高温强度，且Al3Ti和TiC之间有良好的界面相容性，Al3Ti合成温度较低，为650℃，易于点燃，其放热足以完成TiC 的合成，反应完全，TiC放热大，有利于涂层致密和增强与基体的结合力，质量稳定性高。
2.如权利要求1所述的一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤为：将Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩尔比分别为1：1、3：1配比及Ti、C占混合粉末质量百分总量的20％～40％进行称量，在行星式球磨机上混粉12～24h，混合均匀后的粉末在压机上压制成2～10mm厚的坯块，并在真空状态下干燥2～5小时，采用有机粘结剂粘贴预制块于空干后的砂型型壁,然后预热，浇入温度为1400～1600℃铁水或钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得到TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
3.如权利要求1或2所述的一种制备TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层的方法，其特征在于：将Ti、C、Al粉末按Ti、C及Al、Ti摩尔比分别为1：1、3：1配比及Ti、C占混合粉末质量百分总量的30％～40％进行称量，把混合粉末在行星式球磨机上混粉24h，混合均匀后的粉末压制成2～5mm厚的坯块，并在150℃真空状态下干燥5小时，采用3%的PVA水溶液粘贴于空干12h的砂型型壁，在400℃的条件下预热30 min后，浇入温度为1400～1600℃的铁水或钢液，发生反应复合和致密化，凝固后得TiC/Al3Ti金属间化合物基表面复合涂层。
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