CN102560315A

CN102560315A - 一种NiAl-TiB2复合梯度涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102560315A
Application number: CN2011104183722A
Authority: CN
Inventors: 侯世香; 刘宗德
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了属于涂层制备技术领域的一种NiAl-TiB₂复合梯度涂层及其制备方法。该涂层由0-2层过渡层和3-10层梯度涂层组成，每层过渡层由喷涂的Ni和Al组成，梯度涂层由按TiB₂占该层总重的百分比递增的配比喷涂的Ni、Al、Ti和B组成。本发明还公开了其制备方法：首先在金属基体表面制备NiAl过渡层，然后在其表面依次喷涂NiAl-(2～100wt.％)TiB₂制得梯度涂层。本发明基体材料与各涂层间可实现冶金结合，可在同一部位进行多次喷涂得到较厚的复合梯度涂层和工作层，各涂层间也可达到冶金结合。本发明的制备方法简单，成本低，可在大气环境下喷涂，基体材料不需要预热。

Description

一种NiAl-TiB2复合梯度涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种NiAl-TiB₂复合梯度涂层及其制备方法。

背景技术

金属间化合物NiAl具有较好的高温抗氧化性，较高的熔点(1640℃)，较高的弹性模量(294GPa)，较高的热膨胀系数(12.6×10^-6K^-1)和高的热导率。然而其室温塑性差及高温强度低等制约了其应用。NiAl主要作为高温涂层材料保护其基体免于氧化、腐蚀和磨损，NiAl涂层已用于Ni基和Co基高温合金。

提高NiAl室温韧性及高温强度的途径主要有合金化法，或加入细小的金属陶瓷颗粒增强剂，如TiB₂等。TiB₂具有高的熔点(2980℃)，高的硬度(34GPa，NiAl的硬度大约是3MPa)，高的弹性模量(370GPa)，高的热导率和较低的热膨胀系数(8.2×10^-6K^-1)，极好的耐磨损、抗酸碱和抗热性能。但由于TiB₂的高脆性和材料制备的困难性，使其很难用作结构材料。通过各种工艺制备含有TiB₂陶瓷相的涂层既可充分发挥材料的优异特性，又能满足工件所需的耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。TiB₂在NiAl内极其稳定，二者有非常好的化学相容性。已有的研究表明，NiAl-TiB₂复合材料实现了强度、塑性和韧性的同时提高。

由于NiAl和TiB₂之间的膨胀系数的差别，制备的复合材料从液相冷却下来时，在TiB₂周围会产生应力，并且随TiB₂的含量和颗粒尺寸增大而增大。梯度涂层具有许多单一涂层无法比拟的优点，能很好地解决基体与涂层间、涂层之间因热膨胀系数及弹性模量等性能不相匹配的问题，并且可提高涂层与基体间的结合强度。由金属材料(或金属间化合物)和陶瓷材料形成的复合梯度涂层，具有大温差环境下不脱落的优良性能。鉴于NiAl和TiB₂的性能特点，将其制备成NiAl-TiB₂复合梯度涂层会得到极好的综合力学性能。

复合梯度涂层的制备主要集中在沉积法、热喷涂法(等离子、火焰等)、渗透法及激光熔覆法。其局限性在于：(1)成本较高。大多工艺过程较长，生产效率较低，且设备系统操作复杂。(2)涂层与基体之间、梯度涂层间结合强度较低等。(3)通常的制备方法在增强颗粒TiB₂周围产生内应力较大。

原位合成技术可得到增强颗粒细小、热力学性能稳定、结合强度高的复合材料。电热爆炸喷涂技术可实现NiAl-TiB₂复合材料的原位合成，复合梯度涂层间可实现冶金结合，得到细小的亚微米晶粒。而热压放热反应合成法制备的NiAl及NiAl-20％TiB₂复合材料，其平均晶粒尺寸分别为200μm和20μm，其中TiB₂颗粒尺寸在0.5-3μm之间。电热爆炸喷涂得到的涂层硬度较高，本发明合成的NiAl涂层、NiAl-10％TiB₂和NiAl-20％TiB₂复合涂层，平均硬度分别为5.6、9.9和10.6GPa。而反应粉末处理技术合成的NiAl、NiAl-10％TiB₂和NiAl-20％TiB₂复合材料的硬度分别是3、3.4和4.5GPa。

发明内容

本发明的目的在于提供一种NiAl-TiB₂复合梯度涂层，解决涂层与基体材料间以及复合梯度涂层间难以实现冶金结合的问题。

本发明的目的还在于提供上述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法。

一种NiAl-TiB₂复合梯度涂层，该涂层由0-2层过渡层和3-10层梯度涂层组成；每层过渡层由喷涂的Ni和Al组成；梯度涂层由按TiB₂占该层总重的百分比递增的配比喷涂的Ni、Al、Ti和B组成；单次喷涂涂层厚度15-20μm，过渡层的总厚度为0-40μm；梯度涂层的总厚度为50-200μm。

过渡层和梯度涂层中Ni和Al的摩尔比为(0.9-1.2)∶1；梯度涂层中B粉和Ti箔的摩尔比为(1.8-2.3)∶1，TiB₂占该层总重的百分比以2-10％的比重逐层递增。

上述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)将基体材料表面进行清洁处理；

(2)将进行清洁处理的基体材料置于移动的工作台上，电热爆炸喷枪固定于工作台支架上，电热爆炸喷枪的出口平面与基体材料平面平行；将Al箔包在Ni箔内制成箔片，将该箔片放置于电热爆炸喷枪内的底部，其两端与电热爆炸喷枪内底部两端的电极连接，通过触发装置使放电回路导通，箔片被喷涂到基体材料表面，制成过渡层；

(3)将B粉包在Ni箔、Al箔和Ti箔之中制成3-10份梯度粉芯箔；梯度粉芯箔中B粉和Ti箔的摩尔比为(1.8-2.3)∶1，B粉和Ti箔的总重量按照占梯度粉芯箔总重2-10％的比重逐份递增；将梯度粉芯箔放置于电热爆炸喷枪内的底部，其两端与电热爆炸喷枪内底部两端的电极连接，通过触发装置使放电回路导通，梯度粉芯箔按照B粉和Ti箔的总重量的比重递增的顺序被喷涂到过渡层表面，形成梯度涂层，制成复合梯度涂层。

所述Ni箔、Al箔和Ti箔的厚度为30-100μm，宽度为5-25mm，长度为70-100mm；B粉的粒度为1-10μm；Ni箔、Al箔、Ti箔和B粉的纯度均大于99.9％。

所述过渡层喷涂的工作参数为：电容器充电电压4700-4850V，电容器储能20-23kJ，电热爆炸喷枪出口与基体材料平面之间的距离8-15mm，基体材料为常温，大气环境，喷涂频率5-6次/min；所述梯度涂层喷涂的工作参数为：电容器充电电压4800-4950V，电容器储能21-24kJ，电热爆炸喷枪出口与过渡层之间的距离10-25mm，大气环境下，喷涂频率5-6次/min。

所述喷涂的速度为3000-5000m/s。

所述基体材料为平板或圆弧形。

所述梯度涂层喷涂的工作原理如下：

当电热爆炸喷枪的电容器达到所需的充电电压后停止充电，通过触发装置使放电回路导通，梯度粉芯箔中通过瞬时大电流，喷涂材料在50-100μs内被加热到高于熔点而形成等离子体，加快了元素间的反应速度，由于TiB₂的熔点高以及吉布斯自由能低而优先于NiAl原位合成；等离子体击穿后发生电爆炸，同时产生冲击波；高温反应生成的NiAl和TiB₂熔滴以及高温高压气体的混合物，自喷枪底部以3000-5000m/s的速度撞击正前方的过渡层表面，粒子与过渡层碰撞后冷却速率高达10⁷-10⁹K/s，快速凝固原位形成亚微米晶NiAl-TiB₂复合涂层，增强相TiB₂在NiAl中分布均匀，如图1所示；同时基体材料被具有3000K以上的高温液滴熔化，基体材料与过渡层间、不同TiB₂含量的梯度涂层间可实现冶金结合，如图2所示。NiAl-TiB₂复合梯度涂层表面的XRD衍射图谱分析如图3所示。

本发明的有益效果：本发明的NiAl-TiB₂复合梯度涂层，组织致密，晶粒小于1μm，可以起到细晶强化的作用，涂层的硬度显著高于常规技术制备的NiAl-TiB₂涂层的硬度。本发明基体材料与涂层间可实现冶金结合，可在同一部位进行多次喷涂得到较厚的复合梯度涂层和工作层，各涂层间也可达到冶金结合。本发明的制备方法简单，成本低，可在大气环境下喷涂，基体材料不需要预热。

附图说明

图1为NiAl-TiB₂复合梯度涂层横截面扫描电镜图片。

图2为NiAl-TiB₂复合梯度涂层与基体材料间及梯度涂层之间的结合。

图3为NiAl-TiB₂复合梯度涂层表面的XRD衍射图谱分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

基体材料为镍基高温合金，尺寸为20×10×10mm³，喷涂前对基体表面清洗处理。第1层喷涂的是打底层NiAl，其重量百分比为：67.5％Ni，32.5％Al，Al箔被包在Ni箔内制成箔片，每片的长度和重量分别约为78mm和1.1g。喷涂电压4800V，电热爆炸喷枪出口至基体材料表面距离为10mm，箔片两端与电热爆炸喷枪内底部两端的电极连接，通过触发装置使放电回路导通、喷涂。第2-5层的喷涂材料是Ni箔、Al箔、Ti箔和B粉，B粉被包在Ni、Al和Ti箔之中制成梯度粉芯箔，每片的长度和重量分别约为78mm和1.0g。第2层各成分的重量百分比为：Ni-64％，Al-31％，Ti-3.3％，B-1.7％，以形成NiAl-5wt.％TiB₂涂层；第3层各成分的重量百分比为：Ni-61％，Al-29％，Ti-6.8％，B-3.2％，以形成NiAl-10wt.％TiB₂涂层；第4层各成分的重量百分比为：Ni-57.5％，Al-27.5％，Ti-10％，B-5％，以形成NiAl-15wt.％TiB₂涂层；第5层各成分的重量百分比为：Ni-54％，Al-26％，Ti-13.5％，B-6.5％，以形成NiAl-20wt.％TiB₂涂层。各复合涂层喷涂电压均为4900V，喷枪出口至基体距离为15mm，实验在大气环境下进行。将待喷涂试样置于工作台上，喷枪固定于工作台支架上，电热爆炸喷枪出口平面与试样待喷涂面平行。单次喷涂面积为6.5cm²，采用工作台操作机构移动试样的空间位置，实现对试样六个面的喷涂。同一部位喷涂5层，涂层的厚度在80-90μm之间。喷涂时将箔片用压条固定在喷枪底部，每次喷涂完毕后重新装梯度粉芯箔，如此循环以实现重复喷涂。原位合成的NiAl-(5～20％)TiB₂梯度涂层，晶粒尺寸均小于1μm。

喷涂基本过程为：具有良好导电性并有一定电阻的Ni、Al和Ti箔被快速加热，并使与Ti箔紧密接触的B粉升温，在电流的持续作用下金属箔片达到沸点，转变成蒸汽-液滴两相，此时形成的等离子体增加了爆炸喷枪内各成分的碰撞，加快了反应，等离子体击穿爆炸后的高温可进一步快速加热B粉，同时产生的冲击波使高温反应生成的NiAl和TiB₂液滴、少量离子和原子团、高温高压气体的混合物自喷枪底部高速射向枪口前方的基体，撞击基体后快速凝固形成亚微米晶NiAl-TiB₂复合涂层。同时基体被具有3000K以上高温的液滴熔化，基体与涂层间、不同TiB₂含量的梯度复合涂层间可实现冶金结合。喷涂时的工艺参数见表1。

本实施例制备的NiAl-TiB₂复合梯度涂层，在800℃的抗氧化性与NiAl涂层的相近。

实施例2

基体材料为镍基高温合金平板，尺寸为25×16×5mm³，喷涂前对基体表面清洗处理。第1层喷涂的是打底层NiAl，其成分配比及喷涂参数等与实施例1相同。第2-5层的喷涂材料是Ni箔、Al箔、Ti箔和B粉，B粉被包在Ni、Al和Ti箔内制成粉芯箔，每片的长度和重量分别约为78mm和1.0g。第2层成分的重量百分比为：Ni-61％，Al-29％，Ti-6.8％，B-3.2％，以形成NiAl-10wt.％TiB₂涂层；第3层成分的重量百分比为：Ni-54％，Al-26％，Ti-13.5％，B-6.5％，以形成NiAl-20wt.％TiB₂涂层；第4、5层成分的重量百分比为：Ni-47.5％，Al-22.5％，Ti-20.5％，B-9.5％，以形成NiAl-30wt.％TiB₂涂层。复合涂层喷涂电压为4900V，电热爆炸喷枪出口至基体距离为15mm，大气环境下喷涂。将待喷涂试样置于工作台上，喷枪固定于工作台支架上，喷枪出口平面与试样待喷涂面平行。单次喷涂面积约6.5mm²，通过工作台的移动实现对试样同一平面不同区域的喷涂。同一部位喷涂5层，涂层的厚度在80-100μm之间。每次喷涂完毕后重新装箔片，如此循环以实现重复喷涂。原位合成的NiAl-(10～30％)TiB₂复合梯度涂层，晶粒尺寸基本小于1μm，基体与涂层间、不同TiB₂含量的复合梯度涂层间为冶金结合。喷涂时的工艺参数见表1。

本实施例制备的NiAl-TiB₂复合梯度涂层，在800℃的抗冲蚀磨损性能明显的高于Ni基高温合金和NiAl涂层，耐磨性是Ni基高温合金5-10倍。

表1实施例1和2的喷涂工艺参数

喷涂材料	Ni箔、Al箔、Ti箔和B粉
		喷枪出口到基体距离	过渡层10mm，第二层及以上15mm
喷枪内膛尺寸	80×80×10mm³
		电容器充电电压	4900V
电容器储能	23kJ
		平均喷涂频率	5次/min
单次喷涂涂层厚度	15-20μm
		涂层表面的相组成	主相NiAl和TiB₂，少量的Al

Claims

1.一种NiAl-TiB₂复合梯度涂层，其特征在于，该涂层由0-2层过渡层和3-10层梯度涂层组成；每层过渡层由喷涂的Ni和Al组成；梯度涂层由按TiB₂占该层总重的百分比递增的配比喷涂的Ni、Al、Ti和B组成；单次喷涂所得的过渡层或梯度涂层的厚度在15-20μm之间，过渡层的总厚度为0-40μm，梯度涂层的总厚度为50-200μm。

2.根据权利要求1所述一种NiAl-TiB₂复合梯度涂层，其特征在于，过渡层和梯度涂层中Ni和Al的摩尔比为(0.9-1.2)∶1；梯度涂层中B粉和Ti箔的摩尔比为(1.8-2.3)∶1，TiB₂占该层总重的百分比以2-10％的比重逐层递增。

3.权利要求1所述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)将基体材料表面进行清洁处理；

4.根据权利要求3所述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述Ni箔、Al箔和Ti箔的厚度为30-100μm，宽度为5-25mm，长度为70-100mm；B粉的粒度为1-10μm；Ni箔、Al箔、Ti箔和B粉的纯度均大于99.9％。

5.根据权利要求3所述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述过渡层喷涂的工作参数为：电容器充电电压4700-4850V，电容器储能20-23kJ，电热爆炸喷枪出口与基体材料平面之间的距离8-15mm，基体材料为常温，大气环境，喷涂频率5-6次/min；所述梯度涂层喷涂的工作参数为：电容器充电电压4800-4950V，电容器储能21-24kJ，电热爆炸喷枪出口与过渡层之间的距离10-25mm，大气环境下，喷涂频率5-6次/min。

6.根据权利要求3所述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂的速度为3000-5000m/s。

7.根据权利要求3所述NiAl-TiB₂复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述基体材料为平板或圆弧形。