CN103014588B - 一种具有纳米结构的热喷涂喂料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有纳米结构的热喷涂喂料的制备方法属于金属陶瓷涂层技术领域。本发明步骤：（1）平均粒径在100 nm以下的纳米WC-Co复合粉与聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水混合配制成料浆，离心喷雾干燥，获得球形颗粒；（2）采用氩气保护对步骤（1）获得的球形颗粒进行初次热处理，对热处理后的粉末颗粒进行气流分级，获得粒径分布分别为10-20 μm，20-32 μm和32-45μm的三种粉末颗粒；（3）对步骤（2）获得的三种粒径级别的粉末颗粒分别进行二次热处理，采用氩气作为保护气体，将经过二次热处理的三种不同粒径级别的粉末进行混合，即获得具有纳米结构的WC-Co热喷涂喂料。本方法步骤简单，工艺可控性强，可实现连续生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有纳米结构的热喷涂喂料的制备方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。
背景技术
纳米结构的WC-Co硬质合金涂层比普通微米结构的涂层具有更高的致密性、硬度和耐磨性，并且具有良好的韧性。在航空航天、机械制造、石油化工等领域对涂层性能有更高要求的工况拥有广阔的应用前景。高性能的热喷涂涂层制备的关键在于首先制备获得具有高致密度和优良流动性的热喷涂喂料。现有的微米结构WC-Co热喷涂喂料的制备工艺是：首先将WC粉和Co粉的混合料进行喷雾干燥造粒，然后将造粒粉末堆积在舟皿中进行3-5小时的高温（>1200 ℃）烧结，冷却至室温后再进行破碎和分级处理。在这种传统工艺中，包含升温和降温时间在内，粉末总的加热时间长达10小时，极易导致粉末中WC晶粒显著长大粗化，尤其是对于初始粒径为纳米尺度的WC-Co粉末，其晶粒长大更迅速。另一方面，纳米粉末比微米粉末具有明显增大的比表面积，经喷雾造粒后形成的团聚体中存在更多的微小的孔隙，这些孔隙在较低的烧结温度下很难去除，而保留在制备的热喷涂喂料中，由此会大幅度降低热喷涂涂层的性能。因此，现有的微米结构WC-Co热喷涂喂料的制备方法非常不适合制备纳米结构的热喷涂喂料。
为了突破现有技术的局限，建立针对纳米粉末特性的热喷涂喂料的制备方法，本发明基于申请人已有的专利技术（“一种简单快速的超细WC-Co复合粉的制备方法”，授权专利号ZL200610165554.2）制备的平均粒径在100 nm以下的纳米WC-Co复合粉，提供一种内部具有纳米组织结构的热喷涂喂料的制备方法。
发明内容
本发明提供的制备方法的工艺流程和原理是：采用纳米WC-Co复合粉为原料，首先进行喷雾干燥造粒，然后在低温进行短时间的热处理，使得造粒后的粉末颗粒内部达到较高的结合强度，再在高温进行快速热处理，使得造粒粉末中出现瞬时的共晶成分的液相，液相流动填充造粒粉末颗粒中的微孔隙，然后进行快速冷却处理，从而在提高纳米结构热喷涂喂料的致密性和流动性的同时抑制纳米晶粒组织的粗化。由于加热和冷却时间均大大缩短，且不需要后续的破碎处理等工序，本方法相对于传统工艺，生产效率明显提高。
本发明提供的一种具有纳米结构的热喷涂喂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以申请人已有专利技术（ZL200610165554.2）制备的平均粒径在100 nm以下的纳米WC-Co复合粉与聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水混合配制成料浆，对此料浆进行离心喷雾干燥，获得球形颗粒；
（2）采用氩气保护的烧结炉对步骤（1）获得的球形颗粒进行初次热处理，热处理温度为650-750℃，保温时间为30-60 min，对热处理后的粉末颗粒进行气流分级，获得粒径分布分别为10-20 μm，20-32μm和32-45μm的三种粉末颗粒；
（3）对步骤（2）获得的三种粒径级别的粉末颗粒分别进行二次热处理，采用氩气作为保护气体，首先通过送粉器将粉末输送至热处理炉的加热区顶部，然后自然下落通过加热区，在热处理炉冷却区进行快速冷却，在炉子底部出口处进行粉末收集；
上述工艺步骤中的具体参数为：10-20μm粉末颗粒的送粉速率为90-100kg/h，载气流量为23-25L/min，载气压力为1.0-1.2MPa，加热区温度为1300-1320℃，加热时间为0.10-0.20s，冷却区的冷却速率为106-107℃/s；20-32μm粉末颗粒的送粉速率为80-90kg/h，载气流量为19-22L/min，载气压力为0.7-0.9MPa，加热区温度为1340-1360℃，加热时间为0.25-0.35s，冷却区的冷却速率为106-107℃/s；32-45μm粉末颗粒的送粉速率为70-80kg/h，载气流量为15-18L/min，载气压力为0.4-0.6MPa，加热区温度为1380-1400℃，加热时间为0.40-0.50s，冷却区的冷却速率为106-107℃/s。
将经过二次热处理的三种不同粒径级别的粉末进行混合，即获得具有纳米结构的WC-Co热喷涂喂料。
本发明方法的技术特色和优势主要有：（1）以纳米WC-Co复合粉末为原料，WC颗粒与Co相在纳米尺度上均匀复合有利于后续工艺步骤中制备具有优良性能的纳米结构热喷涂喂料；（2）利用1300-1400℃的高温条件对喷雾干燥后的粉末进行热处理，能够保证在粉末颗粒内部出现共晶成分的液相，以之填充粉末颗粒内部的微孔隙，从而使制备的纳米结构热喷涂喂料具有高的致密性，同时由于加热时间非常短，冷却速率极高，可以有效抑制WC晶粒的长大；（3）对不同粒径级别的喷雾干燥后的粉末分别采用不同的工艺参数进行高温瞬时热处理，可有效防止细小颗粒过热、较粗颗粒欠加热的问题，由此提高纳米结构热喷涂喂料的质量；（4）本方法整条技术路线步骤简单，工艺可控性强，可实现连续生产，相对于现有的微米级热喷涂喂料的制备工艺，生产效率显著提高。
附图说明
图1 本发明制备得到的纳米结构WC-Co热喷涂喂料的显微形貌图；其中，a、b分别为实施例1中的热喷涂喂料的低倍和高倍显微形貌，c、d分别为实施例2中的热喷涂喂料的低倍和高倍显微形貌，e、f分别为实施例3中的热喷涂喂料的低倍和高倍显微形貌。
图2 本发明制备的WC-Co热喷涂喂料的X射线衍射图谱；其中，a为实施例1中的热喷涂喂料的X射线衍射图谱，b为实施例2中的热喷涂喂料的X射线衍射图谱，c为实施例3中的热喷涂喂料的X射线衍射图谱。
具体实施方式
以下实施例进一步解释了本发明，但本发明并不限于以下实施例。
以下实施例中初始WC-Co复合粉均利用申请人已有的专利技术（ZL200610165554.2）制备。均以制备WC-12wt.%Co复合粉为例。
实施例1
将平均粒径为100 nm以下的WC-12Co复合粉末与聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水按100:2:1:50的质量比混合配制成料浆，对此料浆进行离心喷雾干燥，获得球形颗粒。采用氩气保护的烧结炉对上述球形颗粒进行初次热处理，热处理温度为650℃，保温时间为60 min，对热处理后的粉末颗粒进行气流分级，获得粒径分布分别为10-20μm，20-32 μm和32-45 μm的三种粉末颗粒。对上述三种粒径级别的粉末颗粒分别进行二次热处理，采用氩气作为保护气体，首先通过送粉器将粉末输送至热处理炉的加热区顶部，然后自然下落通过加热区，在热处理炉冷却区进行快速冷却，冷却速率为106-107℃/s，在炉子底部出口处进行粉末收集。其中，10-20 μm粉末的送粉速率为90kg/h，载气流量为23L/min，载气压力为1.0MPa，加热区温度为1300℃，加热时间为0.10s；20-32 μm粉末的送粉速率为80kg/h，载气流量为19L/min，载气压力为0.7MPa，加热区温度为1340℃，加热时间为0.25 s；32-45 μm粉末的送粉速率为70 kg/h，载气流量为15 L/min，载气压力为0.4 MPa，加热区温度为1380℃，加热时间为0.40s。将上述经过二次热处理的三种不同粒径级别的粉末进行混合，即获得具有纳米结构的WC-Co热喷涂喂料。利用标准漏斗法（GB 1479-84）测量制备得到的纳米结构的WC-12Co热喷涂喂料的松装密度和流动性，测量结果见表1。利用高分辨扫描电镜观察制备的WC-12Co热喷涂喂料的显微形貌，如图1（a）、（b）。制备的WC-12Co热喷涂喂料的X射线衍射图谱如图2（a），由此衍射数据确定该热喷涂喂料的内部平均晶粒尺寸为42nm。
实施例2
将平均粒径为100 nm以下的WC-12Co复合粉末与聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水按100:2:1:50的质量比混合配制成料浆，对此料浆进行离心喷雾干燥，获得球形颗粒。采用氩气保护的烧结炉对上述球形颗粒进行初次热处理，热处理温度为700℃，保温时间为45min，对热处理后的粉末颗粒进行气流分级，获得粒径分布分别为10-20μm，20-32μm和32-45μm的三种粉末颗粒。对上述三种粒径级别的粉末颗粒分别进行二次热处理，采用氩气作为保护气体，首先通过送粉器将粉末输送至热处理炉的加热区顶部，然后自然下落通过加热区，在热处理炉冷却区进行快速冷却，冷却速率为106-107℃/s，在炉子底部出口处进行粉末收集。其中，10-20μm粉末的送粉速率为95kg/h，载气流量为24L/min，载气压力为1.1Mpa，加热区温度为1310℃，加热时间为0.15s；20-32μm粉末的送粉速率为85kg/h，载气流量为20L/min，载气压力为0.8MPa，加热区温度为1350℃，加热时间为0.30s；32-45μm粉末的送粉速率为75kg/h，载气流量为16L/min，载气压力为0.5MPa，加热区温度为1390℃，加热时间为0.45s。将上述经过二次热处理的三种不同粒径级别的粉末进行混合，即获得具有纳米结构的WC-Co热喷涂喂料。利用标准漏斗法（GB 1479-84）测量制备得到的纳米结构的WC-12Co热喷涂喂料的松装密度和流动性，测量结果见表1。利用高分辨扫描电镜观察制备得到的WC-12Co热喷涂喂料的显微形貌，如图1（c）、（d）。制备的WC-12Co热喷涂喂料的X射线衍射图谱如图2（b），由此衍射数据确定该热喷涂喂料的内部平均晶粒尺寸为46nm。
实施例3
将平均粒径为100 nm以下的WC-12Co复合粉末与聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水按100:2:1:50的质量比混合配制成料浆，对此料浆进行离心喷雾干燥，获得球形颗粒。采用氩气保护的烧结炉对上述球形颗粒进行初次热处理，热处理温度为750℃，保温时间为30min，对热处理后的粉末颗粒进行气流分级，获得粒径分布分别为10-20μm，20-32μm和32-45μm的三种粉末颗粒。对上述三种粒径级别的粉末颗粒分别进行二次热处理，采用氩气作为保护气体，首先通过送粉器将粉末输送至热处理炉的加热区顶部，然后自然下落通过加热区，在热处理炉冷却区进行快速冷却，冷却速率为106-107 ℃/s，在炉子底部出口处进行粉末收集。其中，10-20μm粉末的送粉速率为100kg/h，载气流量为25L/min，载气压力为1.2MPa，加热区温度为1320℃，加热时间为0.20s；20-32μm粉末的送粉速率为90kg/h，载气流量为22L/min，载气压力为0.9MPa，加热区温度为1360℃，加热时间为0.35s；32-45μm粉末的送粉速率为80kg/h，载气流量为18L/min，载气压力为0.6MPa，加热区温度为1400℃，加热时间为0.50s。将上述经过二次热处理的三种不同粒径级别的粉末进行混合，即获得具有纳米结构的WC-Co热喷涂喂料。利用标准漏斗法（GB 1479-84）测量制备得到的纳米结构的WC-12Co热喷涂喂料的松装密度和流动性，测量结果见表1。利用高分辨扫描电镜观察制备得到的WC-12Co热喷涂喂料的显微形貌，如图1（e）、（f）。制备的WC-12Co热喷涂喂料的X射线衍射图谱如图2（c），由此衍射数据确定该热喷涂喂料的内部平均晶粒尺寸为52nm。
表1 实施例1~3制备得到的WC-Co热喷涂喂料的物性参数
Claims (1)
1.一种具有纳米结构的热喷涂喂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)平均粒径在100nm以下的纳米WC-Co复合粉与聚乙烯醇、聚乙二醇和去离子水混合配制成料浆，对此料浆进行离心喷雾干燥，获得球形颗粒；
(2)采用氩气保护的烧结炉对步骤(1)获得的球形颗粒进行初次热处理，热处理温度为650-750℃，保温时间为30-60min，对热处理后的粉末颗粒进行气流分级，获得粒径分布分别为10-20μm，20-32μm和32-45μm的三种粉末颗粒；
(3)对步骤(2)获得的三种粒径级别的粉末颗粒分别进行二次热处理，采用氩气作为保护气体，首先通过送粉器将粉末输送至热处理炉的加热区顶部，然后自然下落通过加热区，在热处理炉冷却区进行快速冷却，在炉子底部出口处进行粉末收集；
上述步骤中的具体参数为：10-20μm粉末颗粒的送粉速率为90-100kg/h，载气流量为23-25L/min，载气压力为1.0-1.2MPa，加热区温度为1300-1320℃，加热时间为0.10-0.20s，冷却区的冷却速率为106-107℃/s；20-32μm粉末颗粒的送粉速率为80-90kg/h，载气流量为19-22L/min，载气压力为0.7-0.9MPa，加热区温度为1340-1360℃，加热时间为0.25-0.35s，冷却区的冷却速率为106-107℃/s；32-45μm粉末颗粒的送粉速率为70-80kg/h，载气流量为15-18L/min，载气压力为0.4-0.6MPa，加热区温度为1380-1400℃，加热时间为0.40-0.50s，冷却区的冷却速率为106-107℃/s；
将经过二次热处理的三种不同粒径级别的粉末进行混合，即获得具有纳米结构的WC-Co热喷涂喂料。
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