CN102363877A - 一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法 - Google Patents

一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法 Download PDF

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李丹
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一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，通过机械合金化在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2和Co基合金粉的金属陶瓷混合粉末；带喷涂件被喷砂后的表面应均匀粗糙，在带喷涂件上喷涂厚度为150-200μm的涂层，超音速火焰喷涂工艺参数具体为：氧气压力为1.02MPa，丙烷压力0.4~0.6MPa，氮气压力0.65MPa，氧气流量10~12.5m3/h，丙烷流量1100~1200L/min，氮气流量1000~1100L/min，喷涂区垂直速度50mm/s，喷涂区水平速度170mm/s，喷涂距离185mm；本发明的优点：应用超音速火焰喷涂TiB2-Co复合金属陶瓷粉末，可获得耐磨性良好的TiB2-Co涂层。TiB2-Co涂层具有良好的力学性能，涂层为层状结构，孔隙率低，结构致密。

Description

一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法
技术领域
本发明涉及涂层制备技术，尤其涉及一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，是通过机械合金化制备TiB2-Co喷涂复合粉末，采用超音速火焰喷涂技术制备耐磨TiB2-Co涂层的方法。
背景技术
部件表面磨损是其失效的主要形式，在失效的机械部件中，磨料磨损造成的失效占约40%，通过零件表面改性与强韧化可提高材料的耐磨损性能，是提高产品质量与寿命的重要方法。由硬质陶瓷相与具有良好塑性和韧性的金属或合金粘结相构成的金属陶瓷复合材料即具有陶瓷材料的高硬度与耐磨损性能，又具有一定的韧性，是一种常用的表面强化耐磨涂层材料。目前研究比较多的是WC-Co、Cr3C2-NiCr硬质合金，而对TiB2与粘结相构成的金属陶瓷复合材料研究较少。
TiB2是一种新型陶瓷材料，具有比氧化物陶瓷、碳化物陶瓷更优异的物理化学性能，包括：高熔点（3253℃）、高硬度（HV=34GPa）、低密度（4.52g/cm3）、极好的化学稳定性和耐磨性等诸多优异性能，是继WC、Cr3C2之后的高温耐磨抗氧化材料，广泛应用于硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件等领域，已成为热喷涂表面改性研究的热点材料。近年来，许多研究者常采用真空等离子喷涂或低压等离子喷涂制备TiB2陶瓷涂层，但是这两种喷涂方式成本高，且受真空室尺寸限制，不能喷涂大试样。采用大气等离子喷涂制备TiB2陶瓷涂层是较经济的方式，然而TiB2高温等离子束流撞击基体的动能低，导致与基体的结合差，沉积效率低，涂层的孔隙率高。这些不利因素将影响涂层质量和涂层应用。同时由于高纯的TiB2涂层制备较为困难，这也严格限制了该材料的应用和推广。
超音速火焰喷涂是一种高速火焰喷涂技术，以其火焰速度高，温度低的特点，特别有利于喷涂金属陶瓷涂层。高的粒子速度有利于获得高的涂层致密性和良好的结合强度，而低的火焰温度可有效抑制或减少硬质相在喷涂过程中的分解，使制备的涂层保持了金属陶瓷原有良好耐磨性的组织结构。
发明内容
本发明其目的在于以上缺陷而提供一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，是采用机械合金化制备喷涂复合粉末，采用超音速火焰喷涂技术制备耐磨TiB2-Co涂层，仅可以可获得耐磨性良好的TiB2-Co涂层，而且TiB2-Co涂层具有良好的力学性能，涂层为层状结构，具有孔隙率低，结构致密的特点。
本发明为了实现上述目的而采取的技术方案包括，采用超音速火焰喷涂制备耐磨涂层，通过机械合金化法获得TiB2-Co复合粉末，准备预处理后的待喷涂件，最后进行超音速火焰喷涂。
其具体步骤如下：
首先，以粒度均为15-45μm的TiB2粉和Co基合金粉为原料，TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，使球料混合物占不锈钢球磨罐内腔体积的30%-50%，然后在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2和Co基合金粉的金属陶瓷混合粉末。其次，带喷涂件被喷砂后的表面应均匀粗糙，在带喷涂件上喷涂厚度为150-200μm的涂层，超音速火焰喷涂工艺参数具体为：氧气压力为1.02MPa，丙烷压力0.4~0.6MPa，氮气压力0.65MPa，氧气流量10~12.5，丙烷流量1100~1200，氮气流量1000~1100，喷涂区垂直速度50mm/s，喷涂区水平速度170mm/s，喷涂距离185mm。
二硼化钛粉末由潍坊邦德特种材料有限公司提供，具体化学成分及质量百分含量如下：Ti≥67.5%，B≥30.5%，O<0.8%，C<0.5%；钴基粉末由上海司太立有限公司，具体化学成分及质量百分含量如下：Co：余量，Cr≥29，W≥4，Ni≥3，Fe≥3，Si≥1.1，Mo≥1。
所述的待喷涂件为45钢。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察机械合金化制备的TiB2-Co复合粉末。TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2-Co复合金属陶瓷粉末。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察超音速火焰喷涂TiB2-Co涂层的显微结构。在超音速火焰喷涂过程中，高的粒子速度使TiB2-Co复合粉末与45钢基体碰撞后，能形成孔隙率小、致密的涂层，涂层之间呈相互交错堆叠，涂层呈层状结构。
采用国产液压式万能试验机进行涂层的结合强度测试，结合强度测试参照GBT8642-88《金属热喷涂层结合强度的测定》进行。试验结果测得结合强度范围为72-76MPa。
涂层的硬度是涂层非常重要的力学性能指标，关系到涂层的耐磨性、强度及涂层使用寿命等多种功能。维氏硬度采用HVS-1000型显微硬度计测定，在整个涂层面上平均采取10点取其算术平均值，加载0.98N，加载时间为20s。试验测得涂层平均显微硬度为753MPa。
与现有技术相比，本发明的优点在于，应用超音速火焰喷涂TiB2-Co复合金属陶瓷粉末，可获得耐磨性良好的TiB2-Co涂层。TiB2-Co涂层具有良好的力学性能，涂层为层状结构，孔隙率低，结构致密。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用超音速火焰喷涂制备耐磨涂层，通过机械合金化法获得TiB2-Co复合粉末，准备预处理后的待喷涂件，最后进行超音速火焰喷涂。
首先，以粒度均为15-45μm的TiB2粉和Co基合金粉为原料，TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，使球料混合物占不锈钢球磨罐内腔体积的30%-50%，然后在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2和Co基合金粉的金属陶瓷混合粉末。其次，带喷涂件被喷砂后的表面应均匀粗糙，在带喷涂件上喷涂厚度为150-200μm的涂层，超音速火焰喷涂工艺参数具体为：氧气压力为1.02MPa，丙烷压力0.4MPa，氮气压力0.65MPa，氧气流量11m3/h，丙烷流量1100L/min，氮气流量1000L/min，喷涂区垂直速度50mm/s，喷涂区水平速度170mm/s，喷涂距离185mm。
二硼化钛粉末由潍坊邦德特种材料有限公司提供，具体化学成分及质量百分含量如下：Ti≥67.5%，B≥30.5%，O<0.8%，C<0.5%；钴基粉末由上海司太立有限公司，具体化学成分及质量百分含量如下：Co：余量，Cr≥29，W≥4，Ni≥3，Fe≥3，Si≥1.1，Mo≥1。
所述的待喷涂件为45钢。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察机械合金化制备的TiB2-Co复合粉末。TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2-Co复合金属陶瓷粉末。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察超音速火焰喷涂TiB2-Co涂层的显微结构。在超音速火焰喷涂过程中，高的粒子速度使TiB2-Co复合粉末与45钢基体碰撞后，能形成孔隙率小、致密的涂层，涂层之间呈相互交错堆叠，涂层呈层状结构。
采用国产液压式万能试验机进行涂层的结合强度测试，结合强度测试参照GBT8642-88《金属热喷涂层结合强度的测定》进行。试验结果测得结合强度范围为72-76MPa。
涂层的硬度是涂层非常重要的力学性能指标，关系到涂层的耐磨性、强度及涂层使用寿命等多种功能。维氏硬度采用HVS-1000型显微硬度计测定，在整个涂层面上平均采取10点取其算术平均值，加载0.98N，加载时间为20s。试验测得涂层平均显微硬度为522.6~753.1MPa。
实施例2
本实施例采用超音速火焰喷涂制备耐磨涂层，通过机械合金化法获得TiB2-Co复合粉末，准备预处理后的待喷涂件，最后进行超音速火焰喷涂。
首先，以粒度均为15-45μm的TiB2粉和Co基合金粉为原料，TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，使球料混合物占不锈钢球磨罐内腔体积的30%-50%，然后在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2和Co基合金粉的金属陶瓷混合粉末。其次，带喷涂件被喷砂后的表面应均匀粗糙，在带喷涂件上喷涂厚度为150-200μm的涂层，超音速火焰喷涂工艺参数具体为：氧气压力为1.02MPa，丙烷压力0.6MPa，氮气压力0.65MPa，氧气流量10m3/h，丙烷流量1200 L/min，氮气流量1100 L/min，喷涂区垂直速度50mm/s，喷涂区水平速度170mm/s，喷涂距离185mm。
二硼化钛粉末由潍坊邦德特种材料有限公司提供，具体化学成分及质量百分含量如下：Ti≥67.5%，B≥30.5%，O<0.8%，C<0.5%；钴基粉末由上海司太立有限公司，具体化学成分及质量百分含量如下：Co：余量，Cr≥29，W≥4，Ni≥3，Fe≥3，Si≥1.1，Mo≥1。
所述的待喷涂件为45钢。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察机械合金化制备的TiB2-Co复合粉末。TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2-Co复合金属陶瓷粉末。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察超音速火焰喷涂TiB2-Co涂层的显微结构。在超音速火焰喷涂过程中，高的粒子速度使TiB2-Co复合粉末与45钢基体碰撞后，能形成孔隙率小、致密的涂层，涂层之间呈相互交错堆叠，涂层呈层状结构。
采用国产液压式万能试验机进行涂层的结合强度测试，结合强度测试参照GBT8642-88《金属热喷涂层结合强度的测定》进行。试验结果测得结合强度范围为72-76MPa。
涂层的硬度是涂层非常重要的力学性能指标，关系到涂层的耐磨性、强度及涂层使用寿命等多种功能。维氏硬度采用HVS-1000型显微硬度计测定，在整个涂层面上平均采取10点取其算术平均值，加载0.98N，加载时间为20s。试验测得涂层平均显微硬度为522.6~753.1MPa。
实施例3
本实施例采用超音速火焰喷涂制备耐磨涂层通过机械合金化法获，得TiB2-Co复合粉末，准备预处理后的待喷涂件，最后进行超音速火焰喷涂。
首先，以粒度均为15-45μm的TiB2粉和Co基合金粉为原料，TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，使球料混合物占不锈钢球磨罐内腔体积的30%-50%，然后在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2和Co基合金粉的金属陶瓷混合粉末。其次，带喷涂件被喷砂后的表面应均匀粗糙，在带喷涂件上喷涂厚度为150-200μm的涂层，超音速火焰喷涂工艺参数具体为：氧气压力为1.02MPa，丙烷压力0.6MPa，氮气压力0.65MPa，氧气流量12.5m3/h，丙烷流量1100 L/min，氮气流量1000 L/min，喷涂区垂直速度50mm/s，喷涂区水平速度170mm/s，喷涂距离185mm。
二硼化钛粉末由潍坊邦德特种材料有限公司提供，具体化学成分及质量百分含量如下：Ti≥67.5%，B≥30.5%，O<0.8%，C<0.5%；钴基粉末由上海司太立有限公司，具体化学成分及质量百分含量如下：Co：余量，Cr≥29，W≥4，Ni≥3，Fe≥3，Si≥1.1，Mo≥1。
所述的待喷涂件为45钢。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察机械合金化制备的TiB2-Co复合粉末。TiB2粉和Co基合金粉按质量百分比为3:1进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2-Co复合金属陶瓷粉末。
采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察超音速火焰喷涂TiB2-Co涂层的显微结构。在超音速火焰喷涂过程中，高的粒子速度使TiB2-Co复合粉末与45钢基体碰撞后，能形成孔隙率小、致密的涂层，涂层之间呈相互交错堆叠，涂层呈层状结构。
采用国产液压式万能试验机进行涂层的结合强度测试，结合强度测试参照GBT8642-88《金属热喷涂层结合强度的测定》进行。试验结果测得结合强度范围为72-76MPa。
涂层的硬度是涂层非常重要的力学性能指标，关系到涂层的耐磨性、强度及涂层使用寿命等多种功能。维氏硬度采用HVS-1000型显微硬度计测定，在整个涂层面上平均采取10点取其算术平均值，加载0.98N，加载时间为20s。试验测得涂层平均显微硬度为522.6~753.1MPa。

Claims (7)

1.一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：通过机械合金化获得TiB2-Co复合粉末，采用超音速火焰喷涂技术制备TiB2-Co涂层。
2.根据权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：所述的机械合金化法获得TiB2-Co复合粉末，以粒度均为15-45μm的TiB2粉和Co基合金粉为原料，TiB2粉和Co基合金粉按一定的质量百分比进行配比混合，然后把球料比为10:1的不锈钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨机球磨罐中，使球料混合物占不锈钢球磨罐内腔体积的30%-50%，然后在室温下以440转/分的转速进行球磨6小时，形成TiB2和Co基合金粉的金属陶瓷混合粉末。
3.根据权利要求2所述的一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：所述的Co基合金粉末成分按质量百分比为，Co：余量，Cr≥29，W≥4，Ni≥3，Fe≥3，Si≥1.1，Mo≥1。
4.根据权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：所述的采用超音速火焰喷涂技术制备TiB2-Co涂层，喷涂工艺参数为：氧气压力为1.02MPa，丙烷压力0.4~0.6MPa，氮气压力0.65MPa，氧气流量10~12.5m3/h，丙烷流量1100~1200 L/min，氮气流量1000~1100L/min，喷涂区垂直速度50mm/s，喷涂区水平速度170mm/s，喷涂距离185mm。
5.根据权力要求4所述的一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：TiB2-Co涂层厚度为150-200μm。
6.根据权力要求4所述的一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：TiB2-Co涂层平均显微硬度为522.6~753.1MPa。
7.根据权力要求4所述的一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法，其特征在于：TiB2-Co涂层的结合强度范围是72-76MPa。
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