CN102443796B - 一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，属于金属间化合物技术领域。本发明所解决的技术问题是提供了一种具有微米及亚微米复合孔结构的Fe-Al金属间化合物多孔涂层的制备方法。本发明提出的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，首先采用机械合金化工艺制备内部具有Fe、Al交替分布层状结构的Fe/Al复合合金粉末，然后冷喷涂沉积孔径为微米级的多孔涂层，再采用两阶段热处理实现Fe/Al合金向Fe-Al金属间化合物的转变，同时实现对粒子界面微米级孔隙和单个粒子内部亚微米孔隙的调控，并改善粒子间结合强度，从而获得具有微米及亚微米复合孔结构的Fe-Al金属间化合物涂层。本发明工艺简单，生产周期短，生产成本低廉，且孔结构可控程度高，制备过程不需要添加造孔剂、无污染，有助于工业化应用。

Description

一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于金属间化合物和制造技术领域，特别是提供了一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，是采用新型冷喷涂技术与热处理复合工艺来制备高性能多孔Fe-Al金属间化合物涂层。

背景技术

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，由于具有比表面积大、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，可实现过滤、分离、节流、催化反应、隔音，隔热，抗震、吸附等多种功能，广泛应用于医药、化工、冶金、海水淡化以及环境保护等各个领域。目前国内外能够工业应用的多孔材料主要有高分子材料、陶瓷材料和金属材料。高分子多孔材料由于存在抗高温高压性能差，不耐有机溶剂，以及抗环境腐蚀性能不足等缺陷，限制了这类材料只能局限于环境较为友好的水处理和生物等领域的应用。陶瓷多孔材料耐高温、高压和耐腐蚀等优异性能，但其力学性能及焊接性能较差，限制了其应用范围。传统多孔金属，如Ti基合金、Ni基合金、以及316L不锈钢等尽管具有良好的力学性能、焊接性能以及抗热震性，但其高温强度低，抗高温氧化及腐蚀性能较差，也限制了此类材料的广泛应用。

Fe-Al系金属间化合物比强度高、抗氧化和抗硫化腐蚀性能优良，且只以Fe和Al这两个基本工业元素为主要原料，与其它高温合金相比更具有成本上的优势，而其韧性又高于普通的陶瓷材料，因此，将Fe-Al系金属间化合物制备成多孔材料有望解决高温腐蚀环境下的过滤难题，在高温抗氧化、抗腐蚀以及高温结构材料等方面都有很大的应用潜力。目前已有的多孔Fe-Al金属间化合物制备方法主要有：原料粉末的粉末冶金烧结法、基于柯肯达尔效应的反应烧结法和热喷涂法等。采用原料粉末冶金烧结法制备多孔材料是基于堆垛粉末间隙造孔，孔结构可控度小，曲折因子大。以Fe、Al粉末为原料，采用传统烧结工艺制备Fe-Al金属间化合物多孔材料，工艺较复杂，且烧结过程中容易发生自蔓延反应导致出现烧结体膨胀，且内部孔洞不易控制。采用热喷涂法制备Fe-Al金属间化合物涂层，工艺简单，方便快捷，但传统热喷涂方法由于使用高温热源，在制备涂层时不可避免地存在一定程度的氧化、相变、分解等问题，导致所得涂层孔隙均匀性和可控性较差，且涂层结合强度较低。因此，研究一种工艺简单、快捷，成本低廉的多孔金属间化合物涂层的制备技术很有必要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种具有微米和亚微米复合孔结构的多孔Fe-Al金属间化合物涂层的材料设计方法并同时提供一种该结构涂层的制备方法。本发明提出的方法有利于控制多孔Fe-Al金属间化合物涂层的孔隙率、孔径和孔隙分布，制备过程不需要添加造孔剂，且不需要高温烧结处理，成本低廉，工艺简单、特别适合工业化推广应用。

本发明为了实现上述目的而采取的技术方案为：

一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，按以下步骤进行：

将平均粒径5～75μm的Fe粉和Al粉，按75～25at.%的Fe和25～75at.%的Al进行配比（at.为原子百分比）；

将上述粉末在惰性气氛保护、低温或真空下进行机械合金化制备内部具有Fe、Al交替分布层状结构的Fe/Al复合合金粉末；

在平板状或棒状基体表面进行喷砂粗化处理；

采用冷喷涂沉积上述粉末，在基体上制备厚度5μm～40mm的多孔Fe/Al复合合金涂层，涂层孔隙率2～30%；

对步骤(4)获得的涂层在真空或惰性气体环境下进行两段式热处理，首先进行低温热处理，温度400～650℃，时间1～6小时，通过粒子内部Fe、Al层状结构间的固态扩散获得亚微米级孔隙，并实现Fe/Al合金转变为Fe-Al金属间化合物，然后继续升高热处理温度至700～950℃，保温时间1～2小时，调控孔隙结构并强化粒子间结合，获得结合强度较高、兼具微米及亚微米复合孔结构的Fe-Al金属间化合物涂层。

本发明的其他特点是：

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，涂层孔结构来源于喷涂态涂层中沉积粒子间的孔隙、热处理过程中粒子界面固态偏扩散产生的孔隙以及单个粒子内部Fe、Al层状结构界面反应产生的亚微米孔隙中的一种或几种。

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，其特征在于，涂层中微米及亚微米孔隙的尺寸和比例可控；

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，其Fe-Al金属间化合物可以是FeAl、Fe₃Al、Fe₂Al₅、FeAl₃等Fe-Al系金属间化合物中的一种或几种。另外，除了所列举的金属，也可以使用Ti-Al、Ni-Al、Ni-Ti等金属间化合物而不会背离本发明的精神；

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，步骤(2)中具有Fe、Al交替分布层状结构的Fe/Al复合合金粉末，其内部层状结构厚度在0.2μm～25μm之间变化；

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，其喷涂粉末可以是机械合金化制备的具有层状结构的Fe/Al复合合金粉末，也可以是层状结构Fe/Al复合合金粉末与Al粉的混合粉末、或Fe粉和Al粉末直接混合的粉末；

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，制备多孔块材时可不用对基体喷砂直接沉积涂层；

所述的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，在制备多孔块材时应将基体在步骤(5)的热处理之前进行剥离；

所述的Fe-Al金属间化合物多孔涂层的制备方法，也可获得孔隙在涂层厚度方向上呈梯度变化多孔涂层，即越靠近涂层顶部涂层中的孔隙越多；

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，由于提出的多孔Fe-Al金属间化合物涂层及其制备方法，可以通过调节原料成分、粒度、机械合金化工艺、冷喷涂工艺以及热处理温度和时间等多种工艺参数来控制多孔Fe-Al金属间化合物涂层的孔结构，并可根据需要获得单尺度或梯度结构多孔涂层，具有工艺简单，生产周期短，生产成本低廉的特点。利用本发明提出的方法制备的多孔Fe-Al系金属间化合物涂层，其孔隙结构可控性好、无需造孔剂，几乎无污染，涂层孔隙率可在5%～50%范围变化，强度根据孔隙度不同在20～55MPa变化。该方法可控性好、生产率高，有助于多孔Fe-Al金属间化合物工业化应用。

附图说明

图1本发明的工艺流程图。

具体实施方式

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。

实施例1： 

如图1所示，选取Fe粉、Al粉，按照摩尔比60:40配比，其中：Fe粉粒度为35～75μm，Al粉粒度为15～45μm，粉末形貌如图2所示。在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为5∶1，球磨时间为8h，转速150 rpm，获得Fe/Al复合合金粉末，粉末内部层状结构厚度10～25μm，如图3所示。采用冷喷涂沉积Fe/Al复合合金涂层，基体为60mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用24目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力1.5MPa，送粉气压力1.7MPa，喷涂温度350℃，送粉率15g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度100mm/s，涂层厚度500μm左右。将喷涂后的Fe/Al复合合金涂层在真空炉中进行两阶段热处理，真空度2×10^-2Pa，先以5℃/s的速率升至450℃，保温6小时，随后以15℃/s的速率升至950℃，保温4小时，随炉冷却至室温，获得多孔FeAl金属间化合物涂层，涂层组织如图4所示，涂层的孔径范围1～10μm，平均孔隙率约为15～25%。

实施例2： 

如图1所示，选取Fe粉、Al粉，按照摩尔比75:25配比，其中：Fe粉粒度为10～25μm，Al粉粒度为10～25μm，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为10∶1，球磨时间为6h，转速180 rpm，获得Fe/Al复合合金粉末，粉末内部层状结构厚度5～10μm，采用冷喷涂沉积Fe/Al复合合金涂层，基体为Φ25mm不锈钢棒料，喷涂前对基体表面采用24目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力2MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度500℃，送粉率25g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度30mm/s，涂层厚度250μm左右。将喷涂后的Fe/Al复合合金涂层在流动氩气保护的管式炉中进行两阶段热处理，先以10℃/s的速率升至550℃，保温2小时，随后以15℃/s的速率升至950℃，保温6小时，随炉冷却至室温，获得多孔Fe₃Al金属间化合物涂层，其中，涂层孔径范围0.8-15μm，平均孔隙率约为5～10%。

实施例3：

如图1所示，选取Fe粉、Al粉，按照摩尔比50:50配比，其中：Fe粉粒度为10～35μm，Al粉粒度为5～25μm，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为15∶1，球磨时间为5h，转速200 rpm，获得Fe/Al复合合金粉末，粉末内部层状结构厚度2～8μm，在上述机械合金化制备的Fe/Al复合合金粉末中添加质量分数10%的Al粉，其粒径为5～10μm并均匀混合。采用冷喷涂沉积Fe/Al-Al复合涂层，基体为60mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用24目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力2.2MPa，送粉气压力2.5MPa，喷涂温度550℃，送粉率20g/min左右，喷涂距离35mm，喷枪移动速度40mm/s，涂层厚度300μm左右。将喷涂后的Fe/Al-Al复合涂层在真空炉中进行两阶段热处理，真空度3×10^-3Pa，以5℃/s的速率升至600℃，保温2小时，随后以15℃/s的速率升至900℃，保温6小时，随炉冷却至室温，获得多孔FeAl金属间化合物涂层，其中，涂层孔径范围0.5～10μm，平均孔隙率约为20～30%。

实施例4：

如图1所示，选取Fe粉、Al粉，按照摩尔比50:50配比，其中：Fe粉粒度为10～15μm，Al粉粒度为5～10μm，在混料机中进行混料，球料比为5∶1，球磨时间为8h，转速80 rpm，获得Fe+Al混合粉末。采用冷喷涂沉积涂层，基体为60mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用120目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力1.5MPa，送粉气压力1.7MPa，喷涂温度300℃，送粉率30g/min，喷涂距离20mm，喷枪移动速度60mm/s，涂层厚度40mm左右将喷涂后的涂层在真空炉中进行两阶段热处理，真空度2×10^-3Pa，以3℃/s的速率升至650℃，保温6小时，随后以15℃/s的速率升至900℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得多孔FeAl金属间化合物涂层。其相结构如图5所示，可以看到热处理后获得了FeAl金属间化合物涂层，涂层组织结构如图6所示，其中,孔径范围5-20μm，平均孔隙率约为30～40%。

Claims (6)

1.一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

将平均粒径5～75μm的Fe粉和Al粉，按75～25at.%的Fe和25～75at.%的Al进行配比（at.为原子百分比）；

（1）将上述粉末在惰性气氛保护、低温或真空下进行机械合金化制备内部具有Fe、Al交替分布层状结构的Fe/Al复合合金粉末；

（2）在平板状或棒状基体表面进行喷砂粗化处理；

（3）采用冷喷涂沉积步骤（1）制备的上述粉末，在基体上制备厚度5μm～40mm的多孔Fe/Al复合合金涂层，涂层孔隙率2～30%；

（4）对步骤(3)获得的涂层在真空或惰性气体环境下进行两段式热处理，首先进行低温热处理，温度400～650℃，时间1～6小时，通过粒子内部Fe、Al层状结构间的固态扩散获得亚微米级孔隙，并实现Fe/Al合金转变为Fe-Al金属间化合物，然后继续升高热处理温度至700～950℃，保温时间1～2小时，调控孔隙结构并强化粒子间结合，获得结合强度较高、兼具微米及亚微米复合孔结构的Fe-Al金属间化合物涂层。

2.根据权利要求1所述的一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，涂层孔结构来源于喷涂态涂层中沉积粒子间的孔隙、热处理过程中粒子界面固态偏扩散产生的孔隙以及单个粒子内部Fe、Al层状结构界面反应产生的亚微米孔隙中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，涂层中微米及亚微米孔隙的尺寸和比例可控。

4.根据权利要求1所述的一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中具有Fe、Al交替分布层状结构的Fe/Al复合合金粉末，其内部层状结构厚度在0.2μm～25μm之间变化。

5.根据权利要求1所述的一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述的喷涂粉末为机械合金化制备的具有层状结构的Fe/Al复合合金粉末、层状结构Fe/Al复合合金粉末与Al粉末的混合粉末或Fe粉和Al粉末直接混合的粉末。

6.根据权利要求1所述的一种多孔Fe-Al金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于，获得孔隙在涂层厚度方向上呈梯度变化多孔涂层，即越靠近涂层顶部涂层中的孔隙越多。

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