CN102248716A

CN102248716A - 一种金属陶瓷涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102248716A
Application number: CN2011101318709A
Authority: CN
Inventors: 纪岗昌; 王洪涛; 陈清宇
Original assignee: Jiujiang University
Current assignee: Jiujiang University
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明涉及一种金属陶瓷涂层及其制备方法，包括基体，所述的基体上设有底层，底层上设有中间层，中间层上设有表层，所述的底层为多孔性涂层，所述的中间层为密度递增和空隙率递减的涂层，所述的表层为致密表层。从而解决了多尺度强化金属陶瓷结构设计与该金属陶瓷涂层制备过程中连续沉积问题。具有良好的耐磨性和强韧性的特点，是获得高耐磨性能金属陶瓷涂层的一种新方法。

Description

一种金属陶瓷涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属陶瓷涂层及其制备方法，特别是一种多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

金属陶瓷是用于制备抗磨零部件的主要材料之一。材料的抗磨性与材料的组织结构有密切关系，而金属陶瓷中硬质颗粒对抗磨性贡献与其承受的载荷、磨料特性（硬度、形貌）及接触区域大小等因素有关。随着工矿对材料性能要求的提高，单一陶瓷颗粒强化的金属陶瓷难于满足不同磨损的要求。对WC-Co金属陶瓷材料研究表明，陶瓷颗粒大小对其硬度和韧性有不同的影响趋势，当WC颗粒由微米减到纳米尺寸时，WC-12Co金属陶瓷的硬度大幅增加，但材料的韧性有所降低，在微粒磨损条件下基体相中的纳米碳化物易于脱落而导致磨损加剧。因此，磨损工矿对金属陶瓷硬质相尺寸提出了不同要求，细小颗粒陶瓷硬质相强化基体相有利于减小基体相得切削磨损，而较大颗粒陶瓷硬质相能抵御大载荷磨料对整体的磨损，基于多尺度碳化物颗粒基体相强化与强化相匹配的问题，设计多尺度陶瓷硬质相双相强化金属陶瓷结构具有一定意义。提高零件表面强度和耐磨性是延长零件寿命的主要途径之一，而如何在零件表面形成一定厚度的多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷是实现上述目标的关键所在。超音速火焰喷涂虽然被广泛用于沉积金属陶瓷涂层，但对于沉积多尺度陶瓷颗粒的金属陶瓷粉末，存在细小碳化物颗粒氧化分解和熔化等问题。

冷喷涂是一种基于粒子动能转化为变形能的材料沉积工艺，可实现材料结构的移植而广泛用于沉积受热易于分解和结构转化、易于塑性变形的材料。但由于连续沉积是依靠粒子塑性变形的固有特性，对于沉积难于变形的材料如陶瓷、高硬度的合金、金属陶瓷等存在困难。因此，如何在零件表面制备一定厚度的多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷是解决金属陶瓷强化引起的韧性劣化问题的有意义的研究课题和使用价值的技术。

发明内容

本发明其目的就在于提供一种金属陶瓷涂层及其制备方法，具有良好的耐磨性和强韧性的特点，是获得高耐磨性能金属陶瓷涂层的一种新方法。

实现上述目的而采取的技术方案，包括基体，所述的基体上设有底层，底层上设有中间层，中间层上设有表层，所述的底层为多孔性涂层，所述的中间层为密度递增和空隙率递减的涂层，所述的表层为致密表层。

其制备方法，包括

Figure 2011101318709100002DEST_PATH_IMAGE001

原材料选择：选用多尺度陶瓷颗粒双相复合粒子作为原始粉末，该粉末硬质相颗粒横跨纳米、微纳米到微米尺度；

打底层：选用多孔团聚金属陶瓷粉末为原料，运用冷喷技术采用较低喷涂压力和喷涂温度沉积多孔性涂层；

Figure 2011101318709100002DEST_PATH_IMAGE003

中间层：依次选用由密度递增和多尺度陶瓷颗粒的粉末，采用喷涂工艺，沉积空隙率递减的涂层结构；

表层：选用颗粒细小粉末沉积致密表层。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于，

由于采用了多层结构设计及其制备方法，因而具有良好的耐磨性和强韧性的特点，通过调节粉末粒子的粘结相比例和孔隙率，改善粒子的沉积特性和沉积效率，是获得高耐磨性能金属陶瓷涂层的一种新方法。

附图说明

附图为多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷涂层结构示意图。

具体实施方式

包括基体1，如附图所示，所述的基体1上设有底层2，底层2上设有中间层3，中间层3上设有表层4，所述的底层2为多孔性涂层，所述的中间层3为密度递增和空隙率递减的涂层，所述的表层4为致密表层。

其制备方法，包括

表层：选用颗粒细小粉末沉积致密表层。

所述的陶瓷颗粒可以是碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金刚石陶瓷颗粒的一种或几种。

基体强化相可实现合金粘结相与陶瓷颗粒界面及包覆颗粒之间界面结合可控的特征。

制备工艺通过控制冷喷气体温度、压力和粉末结构实现逐层梯度空隙沉积，充分利用后续粒子对已沉积涂层夯实作用，实现厚涂层的沉积与致密化。

通过调节粉末粒子的粘结相比例和孔隙率，改善粒子的沉积特性和沉积效率。

首先从基体强化与强化相增强的概念，设计多尺度双相强化金属陶瓷的结构特征；其次考虑到因难于变形冷喷沉积金属陶瓷厚涂层存在的问题，采用不同密度粉末和沉积工艺形成梯度密度结构，以粒子的嵌入同时为后续粒子嵌入形成表面结构，克服金属陶瓷涂层连续沉积的困难，为沉积厚多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷提供新方法。

所述的多尺度陶瓷颗粒双相强化是指细小陶瓷颗粒对对基体相的强化和较大颗粒的整体强化，基体强化相的尺度依据陶瓷承受的磨损载荷和磨料特性确定，可从纳米到微纳米，整体强化相的颗粒尺度主要为微米尺度。

制备方法是采用逐层梯度空隙原理，采用不同密度成分粉末沉积符合难变形粒子沉积要求的表面结构即表面空隙。

实施例

以下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WC和Co构成的金属陶瓷涂层，选用多尺度WC-12Co(wt.%)金属陶瓷粉末为喷涂粉末，该粉末内部纳米级WC粒子、亚微米级WC粒子和微米级WC粒子的体积含量分别为20%、25%和55%，粉末的孔隙率在5-30%之间变化。采用CS-2000型冷喷系统制备涂层，以孔隙率为35%的多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末为喷涂粉末，以氮气为加速气体，压力2.0Mpa，加速气体温度650^oC，在低碳钢基体上沉积一层厚度约75μm、孔隙率25%左右的多孔打底涂层，然后分别选用孔隙率为25%、10%和5%的多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末为在上述打底涂层上，以氮气为加速气体，压力2.5Mpa，加速气体温度650^oC，依次沉积厚度分别约为65μm，55μm和45μm的孔隙率梯度降低的中间涂层。由于后续粒子对已沉积涂层的夯实作用，最终后的厚度约200μm左右的致密WC-Co多尺度金属陶瓷涂层。

实例2；针对Cr₃C₂和Cr构成的金属陶瓷涂层，选用多尺度Cr₃C₂-25NiCr(wt.%)金属陶瓷粉末为喷涂粉末，该粉末内部纳米级Cr₃C₂粒子、亚微米级Cr₃C₂粒子和微米级Cr₃C₂粒子的体积含量分别为15%、35%和45%，粉末的孔隙率在5-30%之间变化。采用CS-2000型冷喷系统制备涂层，以孔隙率为30%的多尺度Cr₃C₂-25NiCr金属陶瓷粉末为喷涂粉末，以氮气为加速气体，压力1.5Mpa，加速气体温度600^oC，在低碳钢基体上沉积一层厚度约85μm、孔隙率20%左右的多孔打底涂层，然后分别选用孔隙率为25%、15%和5%的多尺度Cr₃C₂-25NiCr金属陶瓷粉末为在上述打底涂层上依次沉积厚度分别为65μm，45μm和55μm的孔隙率梯度降低的中间涂层。由于后续粒子对已沉积涂层的夯实作用，最终后的厚度约220μm左右的致Cr₃C₂-Cr多尺度金属陶瓷涂层。

Claims

1.一种金属陶瓷涂层，包括基体（1），其特征在于，所述的基体（1）上设有底层（2），底层（2）上设有中间层（3），中间层（3）上设有表层（4），所述的底层（2）为多孔性涂层，所述的中间层（3）为密度递增和空隙率递减的涂层，所述的表层（4）为致密表层。

2.根椐权利要求1所述的一种金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于，包括

原材料选择：选用多尺度陶瓷颗粒双相复合粒子作为原始粉末，该粉末硬质相

颗粒横跨纳米、微纳米到微米尺度；

打底层：选用多孔团聚金属陶瓷粉末为原料，运用冷喷技术采用较低喷涂压力

和喷涂温度沉积多孔性涂层；

中间层：依次选用由密度递增和多尺度陶瓷颗粒的粉末，采用喷涂工艺，沉积

空隙率递减的涂层结构；

表层：选用颗粒细小粉末沉积致密表层。

3.根椐权利要求2所述的一种金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于，所述的陶瓷颗粒可以是碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金刚石陶瓷颗粒的一种或几种。