CN102719777B - 带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB2梯度涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB₂梯度涂层，所述的Fe陶瓷过渡涂层是以工业纯的Fe、Ti、B₄C、C黑粉末为原料，通过等离子束熔射加热，所形成的Fe基陶瓷过渡涂层，原料中Fe、Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔分数称量，摩尔分数Fe:Ti:B₄C:C黑=(5+x）:7:2:5，其中x为过量的Fe的摩尔分数；在此过渡涂层基础上第二次熔射，形成TiB₂、TiC表层，此次粉末原料为Ti、B₄C、C粉末，原料中Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔分数称量，摩尔分数Ti:B₄C:C黑=(3+y）:1:y，其中y为过量的C黑的摩尔分数。本发明的梯度涂层，避免超硬涂层中的裂纹，适应范围广。

Description

带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB2梯度涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂层制备工艺，尤其是一种以等离子束熔射Fe+FeB+TiC+TiB₂+Fe₃C涂层为过渡层，以TiC+TiB₂复相陶瓷涂层为最上层的梯度涂层及其制备方法，属于材料合成与加工领域。

背景技术

在冶金矿山领域大量零部件处于严重的磨损条件下，需要提高硬度和耐磨性，以延长使用寿命，提高工作效率。在工作表面制备高硬度的耐磨涂层，是提高使用寿命，节能节材的重要途径。针对不同材料和工矿条件需要，世界各国都相继开发出一系列耐磨涂层制备技术，并在不同行业推广应用，都在一定程度上提高了工作的耐磨性，延长了使用寿命。金属陶瓷、复相陶瓷复合涂层在耐磨构件的制造和修复中具有广泛用途，TiC,TiB₂陶瓷涂层或者颗粒增强金属复合涂层是一类具有广泛工业应用前景的耐磨涂层.因其具有低摩擦因数、高硬度、低密度以及良好的高温稳定性，有希望逐渐取代传统的以WC和Cr₃C₂颗粒为增强相的复合涂层。

目前，虽然通过不同方法制备TiC,TiB₂陶瓷涂层或者颗粒增强金属复合涂层，但存在下列缺点:(1)纯粹的TiC、TiB₂陶瓷材料涂层，与基体硬度很难匹配，涂层与基体结合强度低；(2)涂层中强化相为外部加入，在涂层中分布不均匀，涂层的成分、性能、厚度等调节范围小，很难满足多种负荷条件下工作的零部件的耐磨性能要求，应用领域有限。

激光和等离子熔覆是目前利用激光对材料表面进行改性时效率较高的一种，尤其是同步送粉的熔覆。等极大地避免了基体对熔覆层合金的稀释，利用激光、等离子快速重熔产生的温度梯度，形成组织非常细密的耐磨涂层。等离子原位反应是一种将自蔓延高温合成(SHS)与等离子熔覆相结合的技术，具有陶瓷增强相原位合成，结合界面洁净，涂层厚度、成分、性能调整范围大等优点。但适合的反应体系少，等离子束加热与自蔓延过程容易分离，涂层结合强度低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述不足，提供一种由等离子束熔射加热制备的，带有Fe陶瓷过渡涂层的，表层为TiC+TiB₂的梯度涂层及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB₂梯度涂层，所述的Fe基陶瓷过渡涂层是以工业纯的Fe、Ti、B₄C、C黑粉末为原料，通过等离子束熔射加热，所形成的Fe基陶瓷过渡涂层，涂层中增强相FeB+TiC+TiB₂+Fe₃C为原位冶金反应形成，反应式为

(5+x)Fe+7Ti+2B₄C+5C→xFe+3TiB₂+2FeB+Fe₃C+4TiC 

原料中Fe、Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数称量，摩尔份数Fe：Ti：B₄C：C黑=（5+x）：7：2：5，其中x为过量的Fe的摩尔份数，数值区间为3-15; 

在此过渡涂层基础上第二次熔射，形成TiB₂、TiC表层，此次粉末原料为Ti、B₄C、C黑粉末，依据如下反应式

（3+y）Ti+B₄C+yC=2TiB₂+（1+y）TiC 

原料中Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数称量，摩尔份数Ti：B₄C：C黑=（3+y）：1：y，其中y为过量的C黑的摩尔份数，数值区间为0-5。

优选的是，Fe基陶瓷过渡涂层厚度0.8-1.5mm，硬度1100～1300HV；TiC+TiB₂陶瓷表层厚度1.5-2.2mm，硬度可达1400～1800HV。

以上所述的带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB₂梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步：备好工业纯的Fe、Ti、B₄C、C黑粉末为原料，Fe、Ti、C黑粉末粒度为200目，B₄C颗粒选择较细W10粒度；

第二步：粉末称量、配制

粉末原料分为两类：一类是过渡层原料，Fe、Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数（5+x）：7：2：5称量，其中x为过量的Fe的摩尔份数，数值区间选择3-15；另一类是最终层原料，Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数(3+y):1:y称量，其中y为过量的C黑的摩尔份数，数值区间选择0-5；

第三步：粉末烘干、混合、装罐

将上述粉末在50℃真空炉中烘干2小时，倒入球磨机的球磨管中混合2-4小时；将经过上述处理的粉末分别装入送粉器的不同送粉罐内；

第四步：等离子熔射制备过渡涂层

首先备好待处理的工件，开启等离子设备的水、电、气开关；处理时工件做旋转运动，等离子发生器做直线往复运动，打开电源并高频起弧，调整工艺参数范围为：氩气流量为0.3-0.5M³/H，电流为150-250A，扫描速度为320-450mm/MIN，送粉量为25-50g/min，等离子发生器距喷嘴5-10mm；在纯氩气形成的等离子束流中，将粉末熔射到工件表面，同时工件表面也被熔化形成微熔的熔池，冷却后首先形成一层Fe基陶瓷过渡涂层；

第五步等离子熔射制备最终涂层

切换送粉器的送粉罐，采用与过渡层熔射时同样的工艺及参数，在纯氩气形成的等离子束流中，将粉末熔射到工件表面，同时工件表面也被熔化形成微熔的熔池，粉末在等离子射流中发生熔化和化学反应，形成不同相对含量的TiB₂+TiC陶瓷涂层。

本发明的有益效果为：①涂层由过渡层和最终层组成，涂层与基体冶金结合，结合强度高，适合于承受较大载荷并且磨损形式为磨料磨损的零部件表面的强化；②涂层中的强化相TiB₂、FeB、Fe₃C、TiC为原位形成，不是预先外加在反应物料中，界面干净，无污染，有利于相互之间的结合，提高结合强度，并且降低了原料成本；③由于等离子束熔射加热速度快，涂层制备效率高，并且等离子束加热设备的操作维护成本远低于激光束设备，故涂层制备成本低；④因为等离子束熔射加热能量密度高，加热工作表面时形成很大的温度梯度，当工件表面微熔时，工件基体上的热影响区域小，有利于减少工件变形；⑤因为等离子束熔射加热时间短，涂层中的强化相TiB₂、FeB、Fe₃C、TiC来不及长大，从而获得微观组织细密的涂层，有利于提高涂层结合强度和耐磨性；⑥涂层中成分、硬度呈现梯度分布，可以避免超硬涂层剥落和涂层中出现裂纹；⑦涂层中成分和物相相对含量调整范围大，可以根据需要制备不同硬度的涂层，满足冶金、矿山、交通、建筑、机械、石油等行业中关键零部件的耐磨强化处理，如刮板运输机中部槽、采煤机的截齿、挖掘机的挖抖、铲车的铲齿、冶金轧辊、铁路钢轨、石油平板闸阀等。

具体实施方式

实施例一

本实施例的等离子束熔射梯度TiC+TiB₂涂层是由以下方法制备的：

第一步：备好工业纯的Fe、Ti、B₄C、C黑粉末为原料，Fe、Ti、C黑粉末粒度为200目，B₄C颗粒选择较细W10粒度。

第二步：粉末称量、配制

粉末原料分为两类：一类是过渡层原料，Fe、Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数（5+x）：7：2：5称量，其中x为过量的Fe的摩尔份数，本实施例中选择x=3；另一类是最终层原料，Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数(3+y):1:y称量，其中y为过量的C黑的摩尔份数，本实施例中选择y=0。

第三步：粉末烘干、混合、装罐

将上述粉末在50℃真空炉中烘干2小时，倒入球磨机的球磨管中混合4小时；将经过上述处理的粉末分别装入送粉器的不同送粉罐内。

第四步：等离子熔射制备过渡涂层

首先备好待处理的工件，开启等离子设备的水、电、气开关；处理时工件做旋转运动，等离子发生器做直线往复运动，打开电源并高频起弧，调整工艺参数范围为：氩气流量为0.3M³/H，电流为250A，扫描速度为320mm/MIN，送粉量为50g/min，等离子发生器距喷嘴5mm；在纯氩气形成的等离子束流中，将粉末熔射到工件表面，同时工件表面也被熔化形成微熔的熔池，冷却后首先形成一层Fe基陶瓷过渡涂层，涂层中增强相FeB+TiC+TiB₂+Fe₃C为原位冶金反应形成，厚度0.8mm，硬度1300HV。

第五步等离子熔射制备最终涂层

切换送粉器的送粉罐，工艺参数同第四步。为粉末在等离子射流中发生熔化和化学反应，形成TiB₂+TiC陶瓷涂层，涂层中TiB₂+TiC两相的摩尔分数之比为2:1，涂层硬度可达1800HV，厚度1.5mm，同时过渡层微熔，最终涂层与过渡层熔合在一起，总厚度2.3mm。

在由过渡层和最终层组成的整个涂层中的硬度呈现梯度分布，表层硬度达1800HV，并且涂层与基体呈现冶金结合。

实施例二

与实施一的不同之处在于：①过渡层原料，其中x=5；②最终层原料y=1；③过渡层和最终层原料混合皆为3小时；④等离子熔射工艺参数：氩气流量为0.4M³/H，电流为220A，扫描速度为340mm/MIN，送粉量为45g/min，等离子发生器距喷嘴7mm；⑤Fe基陶瓷过渡涂层厚度1.0mm，硬度1200HV；⑥最终TiB₂+TiC陶瓷涂层中TiB₂+TiC两相的摩尔分数之比为2:2，涂层厚度1.7mm，硬度为1700HV，涂层总厚度2.7mm，硬度1700HV。

实施例三

与实施一的不同之处在于：①过渡层原料，其中x=10：②最终层原料y=5：

③过渡层和最终层原料混合分别为2、4小时;④等离子熔射工艺参数：氩气流量为0.5M³/H，电流为150A，扫描速度为320mm/MIN，送粉量为35g/min，等离子发生器距喷嘴10mm；⑤在纯氩气形成的等离子束流中，将粉末熔射到工件表面，同时工件表面也被熔化形成微熔的熔池，冷却后首先形成一层Fe基陶瓷过渡涂层；⑥Fe基陶瓷过渡涂层厚度1.5mm，硬度1100HV；⑦最终TiB₂+TiC陶瓷涂层中TiB₂+TiC两相的摩尔分数之比为2：5，涂层厚度2.2mm，硬度为1560HV，涂层总厚度3.7mm，硬度1560HV。

实施例四

与实施三的不同之处在于：①过渡层原料，其中x=15；②过渡层和最终层原料混合皆为4小时；③等离子熔射工艺参数：氩气流量为0.5M³/H，电流为250A，扫描速度为360mm/MIN，送粉量为25g/min，等离子发生器距喷嘴5mm；④Fe基陶瓷过渡涂层厚度0.8mm，硬度1100HV;⑤最终TiB2+TiC陶瓷涂层中TiB2+TiC两相的摩尔分数之比为2：5，涂层厚度1.5mm，硬度为1400HV，涂层总厚度2.3mm，硬度1400HV。

本发明技术适合于冶金、矿山、交通、建筑、机械、石油等行业中关键零部件的耐磨强化处理，如刮板运输机中部槽、采煤机的截齿、挖掘机的挖抖、铲车的铲齿、冶金轧辊、铁路钢轨、石油平板闸阀等。表1为本发明实施例中涂层的性能指标及应用效果。

表1为本发明涂层的性能指标和优异性

Claims (3)

1.一种带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB₂梯度涂层，其特征在于：所述的Fe基陶瓷过渡涂层是以工业纯的Fe、Ti、B₄C、C黑粉末为原料，通过等离子束熔射加热，所形成的Fe基陶瓷过渡涂层，涂层中增强相FeB+TiC+TiB₂+Fe₃C为原位冶金反应形成，反应式为

(5+x)Fe+7Ti+2B₄C+5C→xFe+3TiB₂+2FeB+Fe₃C+4TiC

原料中Fe、Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数称量，摩尔份数Fe：Ti：B₄C：C黑=（5+x）：7：2：5，其中x为过量的Fe的摩尔份数，数值区间为3-15;

在此过渡涂层基础上第二次熔射，形成TiB₂、TiC表层，此次粉末原料为Ti、B₄C、C黑粉末，依据如下反应式

（3+y）Ti+B₄C+yC=2TiB₂+（1+y）TiC

原料中Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数称量，摩尔份数Ti：B₄C：C黑=（3+y）：1：y，其中y为过量的C黑的摩尔份数，数值区间为0＜y≤5。

2.如权利要求1所述的带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB₂梯度涂层，其特征在于：Fe基陶瓷过渡涂层厚度0.8-1.5mm，硬度1100～1300HV；TiC+TiB₂陶瓷表层厚度1.5-2.2mm，硬度可达1400～1800HV。

3.如权利要求1所述的带有Fe基陶瓷过渡涂层的TiC+TiB₂梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步：备好工业纯的Fe、Ti、B₄C、C黑粉末为原料，Fe、Ti、C黑粉末粒度为200目，B₄C颗粒选择较细W10粒度；

第二步：粉末称量、配制

粉末原料分为两类：一类是过渡层原料，Fe、Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数（5+x）：7：2：5称量，其中x为过量的Fe的摩尔份数，数值区间选择3-15；另一类是最终层原料，Ti、B₄C、C黑粉末的配比以摩尔份数(3+y):1:y称量，其中y为过量的C黑的摩尔份数，数值区间选择0＜y≤5；

第三步：粉末烘干、混合、装罐

将上述粉末在50℃真空炉中烘干2小时，倒入球磨机的球磨管中混合2-4小时；将经过上述处理的粉末分别装入送粉器的不同送粉罐内；

第四步：等离子熔射制备过渡涂层

首先备好待处理的工件，开启等离子设备的水、电、气开关；处理时工件做旋转运动，等离子发生器做直线往复运动，打开电源并高频起弧，调整工艺参数范围为：氩气流量为0.3-0.5M³/H，电流为150-250A，扫描速度为320-450mm/MIN，送粉量为25-50g/min，等离子发生器距喷嘴5-10mm；在纯氩气形成的等离子束流中，将粉末熔射到工件表面，同时工件表面也被熔化形成微熔的熔池，冷却后首先形成一层Fe基陶瓷过渡涂层；

第五步等离子熔射制备最终涂层

切换送粉器的送粉罐，采用与过渡层熔射时同样的工艺及参数，在纯氩气形成的等离子束流中，将粉末熔射到工件表面，同时工件表面也被熔化形成微熔的熔池，粉末在等离子射流中发生熔化和化学反应，形成不同相对含量的TiB₂+TiC陶瓷涂层。