CN103911620B - 一种抗热冲击金属基涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗热冲击金属基涂层的制备方法。该方法在经过粗化后的金属基体表面采用热喷涂技术制备金属基涂层，并将涂层和基体进行热处理，待温度升至低于该涂层中金属材料熔点的恒定温度后保温一定时间，以使涂层与基体之间发生原子扩散，在结合部位生成扩散层。利用该方法得到的涂层与基体达到了冶金结合，同时消除了涂层内部的残余应力，使涂层更加致密，孔隙率降低，从而提高了涂层的结合强度、抗热冲击性能以及耐腐蚀性能，适合作为工业领域遭受急剧冷热循环和腐蚀的热端部件的保护涂层，以显著延长设备的使用寿命，具有良好的应用前景和经济效益。

Description

一种抗热冲击金属基涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，尤其涉及一种抗热冲击金属基涂层的制备方法。

背景技术

航空航天发动机、涡轮机叶片、工业涡轮、火力发电机、锅炉等的结构材料在高温下作业，受到高温氧化、腐蚀和磨损。为了保护这些热端部件在高温下免受氧化腐蚀以及其它危害，延长使用寿命，人们对高温结构材料和高温涂层进行了大量的研究。

近几年来，高温结构材料有了很大发展，但是实践证明，高温材料本身要做到既有好的高温强度，又具备优良的抗氧化、抗腐蚀性能十分困难，因此改善材料的抗高温氧化和腐蚀仅仅从材料本身考虑是不够的。而在高温材料上添加高温涂层后，可大大提高其使用温度，从而使其在高温下能最大程度地发挥性能，另外，不论高温涂层的研制还是使用，所需经费都比高温材料低得多，如一个涡轮片涂覆CoCrAlY涂层后，寿命达20000h，而其成本仅为叶片的1/4~1/3，经济效益十分明显。因此，在材料表面涂覆抗高温防护涂层是提高热端部件的性能和延长其寿命的经济、简便、有效的措施之一。

20世纪50年代以来，高温涂层的研发得到了很大的发展，从传统的氧化物涂层拓展到热障涂层，从单层涂层扩展到多层涂层。同时用于高温涂层的材料也得到了很大的拓展，从金属材料发展到现在的复合材料，并通过添加活性元素使性能得到改善和提高。将高温涂层体系以涂层-基底互扩散程度分类，可分为：扩散涂层、包覆涂层和热障涂层。性能优越和质量稳定的涂层需要可靠的工艺来保证，不同类型的高温涂层有不同的制备方法。常见的扩散涂层制备方法有渗镀、料浆包渗、固渗、真空蒸发、扩散渗镀和化学气相沉积等；包覆涂层制备方法有真空蒸发沉积、低压等离子喷涂、磁控溅射和偏压真空蒸发沉积等；热障涂层制备方法有等离子喷涂和电子束物理气相沉积等。其中，渗镀、化学镀等工艺制备的涂层厚度有限，难以起到长期防护效果；真空镀覆工艺需要高真空设备，成本昂贵，且可处理工件的尺寸有限。而热喷涂工艺具有不受工件尺寸和施工场所的限制、沉积效率较高以及对基体材料的热影响小的特点，尤其针对大型构件既可用于整体涂层的生产，也可用于构件涂层的局部修复，综合成本较低。因此，热喷涂技术在高温涂层领域获得了广泛的应用。

关于热喷涂制备高温涂层的组织成分、制备工艺以及综合性能等方面已有大量研究。对于在高温热冲击环境中工作的涂层，抗热冲击性能是其主要技术指标之一。但是由于热喷涂技术固有的特点，热喷涂涂层与基体以机械结合为主、结合强度薄弱的状况并没有得到明显改善，仍是导致涂层抗热冲击失效的主要原因。改善热喷涂涂层与基体的结合状况，进一步提高热喷涂涂层的抗热冲击性能已成为高温涂层研究领域中的重要课题。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述热喷涂涂层与基体的结合强度较弱而导致的涂层抗热冲击低的问题，提供一种金属基涂层的制备方法，利用该方法能够在金属基表面制得具有较高抗热冲击性能的涂层，从而有效延长金属基体热端部件的使用寿命。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种抗热冲击金属基涂层的制备方法，如图1所示，该方法首先利用热喷涂技术在经过粗化后的金属基体表面制备金属基涂层，然后对该基体与涂层进行热处理，待基体与涂层升温至恒定温度后保温一定时间，使涂层和基体之间发生原子扩散，在结合部位生成一层扩散层，所述的恒定温度低于该涂层中金属材料的熔点，最后冷却得到金属基涂层。

所述的涂层为金属基涂层，其材料包括但不限于纯金属，例（如Al、Zn、Mo等）、自熔合金（如Fe-Ni-B-Si、Co-Ni-B-Si等）、钢（如不锈钢、Fe-Cr13等）、金属-铬-铝-钇（金属包括Fe、Co、Ni、Mo等）、镍-石墨合金、金属-氧化物（如Al-Al₂O₃、Ti-TiO₂等）和金属-碳化物（如WC-Co、WC-CoCr、Cr₂C₃-NiCr等）等。

所述的基体为金属基体，其材料包括但不限于纯金属（如Fe、Al、Mg、Mo等）、合金（如镁合金、铝合金、钢等）等。

所述的基体粗化的方法包括但不限于喷砂、车螺纹、滚花、电拉毛等；作为优选，在粗化处理前对基体表面进行清洗、除油除锈等预处理。

所述的热喷涂技术包括但不限于超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂和冷喷涂等。其中优选电弧喷涂方法，其喷涂参数的优选范围为：喷涂电流100~400A，喷涂电压20~60V，压缩空气压力0.4~1MPa，喷涂距离100~300mm。

所述的热处理环境包括但不限于真空、大气和保护性气氛（如N₂、Ar、He等）。其中优选大气气氛中对涂层和基体进行热处理。

本发明中，当涂层包括两种或两种以上金属材料时，所述的熔点指最低熔点，即涂层所包含的金属材料中熔点最低的一种金属材料的熔点。

所述的热处理工艺中，恒定温度优选为涂层中金属材料熔点的70%~95%，进一步优选为80%~90%；保温时间优选为2~10h；基体与涂层的升温速率优选为5~20℃/min。

为了表征本发明中一种抗热冲击金属基涂层的性能，利用扫描电子显微镜（SEM）和马弗炉等设备对所得到的涂层样品进行表征，以下是具体的性能测试方法。

微观组织观测：将涂层样品截面镶嵌后抛光，利用扫描电子显微镜观测其微观组织结构。

水淬热冲击试验：在马弗炉中将涂层样品加热至特定温度，保温5min后迅速放入室温下的清水中冷却。按此方法进行多次循环操作，观察试样是否出现裂纹以及涂层脱落等现象。

综上所述，本发明结合热喷涂与热处理技术，首先采用热喷涂方法制备金属基涂层，然后将涂层和基体进行热处理，待升温至低于涂层中金属材料的熔点后保温足够长时间，使其在结合部位通过原子扩散生成一层均匀致密的扩散层，从而获得抗热冲击性能优异的涂层。与目前常用的高温涂层相比，具有如下优点：

（1）所获得的涂层与基体实现了冶金结合，同时涂层内部的残余应力减少，涂层更加致密，孔隙率降低，结合强度和机械性能大幅度提高，从而显著改善了涂层的抗热冲击性能，适用于热端部件的防护，有效延长了其使用寿命；

（2）该方法将热喷涂技术和金属热处理技术有机结合起来，充分发挥了两种方法的技术优势，同时克服了热喷涂涂层与基体结合较差的缺陷，并且工艺灵活、简单易控、成本较低，便于实现大规模生产；

因此，本发明的抗热冲击金属基涂层的制备方法具有综合成本较低、制备过程简单、服役寿命长和适于产业化等优点，可广泛应用于航空航天发动机、涡轮机、火力发电机、锅炉等的热端部件，起到抗高温氧化、腐蚀和磨损等作用，具有良好的市场前景。

附图说明

图1是本发明抗热冲击金属基涂层的制备工艺示意图；

图2（a）是对比实施例1中未热处理的Al涂层的微观组织形貌图；

图2（b）是实施例1中热处理后Al涂层的微观组织形貌图；

图3（a）是对比实施例1中Al涂层经过130次水淬热冲击试验后的情况；

图3（b）是实施例1中热处理后的Al涂层经过130次水淬热冲击试验后的情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

对比实施例1：

本实施例是下述实施例1的对比实施例。本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用电弧喷涂法制备一层Al涂层。制备Al涂层所采用的原料为市售直径3mm的铝丝。该涂层的具体制备方法如下：

（1）喷涂前，将低碳钢基体进行清洗、除油除锈后采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂预处理，使其粗糙度达到喷涂要求；

（2）采用电弧喷涂方法对粗化后的基体表面进行Al喷涂，控制电弧喷涂枪的喷涂参数为：喷涂电流250A，喷涂电压40V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离200mm。

实施例1：

本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用电弧喷涂法制备一层Al涂层。所述的基材、Al涂层原材料及其热喷涂方法与上述对比实施例1相同，所不同的是在基材表面采用电弧喷涂法制备一层Al涂层后，将基体和涂层经过热处理以提高涂层的抗热冲击性能。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例1中的步骤（1）完全相同；

（2）与对比实施例1中的步骤（2）完全相同；

（3）对所制得的涂层和基体进行热处理至恒定温度，保温一定时间后冷却，控制热处理的工艺参数为：大气气氛下，升温速率为15℃/min，恒温温度为600℃，保温时间为5h，涂层和基体随炉冷却。

对上述对比实施例1与实施例1制备得到的Al涂层分别进行600℃下的水淬热冲击试验：在马弗炉中将Al涂层样品加热至600℃，保温5min后迅速放入室温下（15℃）的清水中冷却，按此方法进行多次循环操作，观察试样是否出现裂纹以及涂层脱落等现象。

观察试验结果为：经过130次水淬热冲击测试后，对比实施例1中的Al涂层出现裂纹，而实施例1中的Al涂层仍保持完好。该观察结果表明：热处理能显著改善Al涂层的抗热冲击性能，采用电弧喷涂和热处理相结合的方法可制得抗热冲击性能优异的Al涂层。

图2（a）是对比实施例1中未热处理的Al涂层的微观组织形貌图，图2（b）是实施例1中热处理后Al涂层的微观组织形貌图。由图2（a）与2（b）可见，未热处理的Al涂层和基体之间呈机械咬合，存在一定的孔隙；而热处理后Al涂层和基体之间出现了一个连续的扩散层，该扩散层均匀致密，厚度约8μm，说明涂层和基体之间发生了原子的相互扩散，通过扩散填充了涂层和基体结合部位的孔隙，两者呈现典型的冶金结合特征，这正是热处理后涂层具有优异热冲击性能的根本原因。

图3（a）是对比实施例1中Al涂层经过水淬热冲击试验后的情况，图3（b）是实施例1中Al涂层经过水淬热冲击试验后的情况。由图3（a）可见，未热处理的Al涂层经过130次水淬热冲击后出现长裂纹，涂层已破坏；而由图3（b）可见，热处理后的Al涂层经过130次水淬热冲击后仍保持完好，说明热处理显著改善了Al涂层的抗热冲击性能。

对比实施例2：

本实施例是下述实施例2的对比实施例。本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用火焰喷涂法制备一层Al涂层。制备Al涂层所采用的原料为市售的铝粉。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例1中的步骤（1）完全相同；

（2）采用火焰喷涂方法对粗化后的基体表面进行Al喷涂，控制喷涂参数为：助燃气O₂、燃气C₂H₂和压缩空气的压力分别为0.5MPa、0.1MPa和0.6MPa，流量分别为50slpm、25slpm和250slpm，送粉速率为30g/min，喷涂距离为150mm。

实施例2：

本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用火焰喷涂法制备一层Al涂层。所述的基材、Al涂层原材料及其热喷涂方法与上述对比实施例2相同，所不同的是在基材表面采用火焰喷涂法制备一层Al涂层后，将基体和涂层经过热处理以提高涂层的抗热冲击性能。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例2中的步骤（1）完全相同；

（2）与对比实施例2中的步骤（2）完全相同；

（3）对所制得的涂层和基体进行热处理至恒定温度，保温一定时间后冷却，控制热处理的工艺参数为：大气气氛下，升温速率为15℃/min，恒温温度为600℃，保温时间为5h，涂层和基体随炉冷却。

上述对比实施例2与实施例2制备得到的Al涂层的微观组织形貌对比结果类似图2（a）与图2（b）的对比结果。

对上述对比实施例2与实施例2制备得到的Al涂层分别进行如实施例1中所进行的600℃下的水淬热冲击试验，经过114次水淬热冲击测试后，对比实施例2中未热处理的Al涂层发生破坏，而实施例2中热处理后的Al涂层仍保持完好。观察结果表明：热处理能显著改善Al涂层的抗热冲击性能，采用火焰喷涂和热处理相结合的方法可制得抗热冲击性能优异的Al涂层。

对比实施例3：

本实施例是下述实施例3的对比实施例。本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用电弧喷涂法制备一层Zn/Al涂层。制备锌铝涂层所采用的原料为市售直径3mm的锌铝（Zn：Al=85:15）丝。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例1中的步骤（1）完全相同；

（2）采用电弧喷涂方法对粗化后的基体表面进行Zn/Al喷涂，控制电弧喷涂枪的喷涂参数为：喷涂电流250A，喷涂电压40V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离200mm。

实施例3：

本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用电弧喷涂法制备一层Zn/Al涂层。所述的基材、锌铝涂层原材料及其热喷涂方法与上述对比实施例3相同，所不同的是在基材表面采用电弧喷涂法制备一层Zn/Al涂层后，将基体和涂层经过热处理以提高涂层的抗热冲击性能。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例3中的步骤（1）完全相同；

（2）与对比实施例3中的步骤（2）完全相同；

（3）对所制得的涂层和基体进行热处理至恒定温度，保温一定时间后冷却，控制热处理的工艺参数为：大气气氛下，升温速率为15℃/min，恒温温度为350℃，保温时间为5h，涂层和基体随炉冷却。

上述对比实施例3与实施例3制备得到的Zn/Al涂层的微观组织形貌对比结果类似图2（a）与图2（b）的对比结果。

对上述对比实施例3与实施例3制备得到的Zn/Al涂层分别进行350℃下的水淬热冲击试验，经过86次水淬热冲击测试后，对比实施例3中未热处理的Zn/Al涂层发生破坏，而实施例3中热处理后的Zn/Al涂层仍保持完好。观察结果表明：热处理能显著改善Zn/Al涂层的抗热冲击性能，采用电弧喷涂和热处理相结合的方法可制得抗热冲击性能优异的Zn/Al涂层。

对比实施例4：

本实施例是下述实施例4的对比实施例。本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用火焰喷涂法制备一层Fe-Ni-B-Si涂层。制备Fe-Ni-B-Si涂层所采用的原料为市售自熔合金Fe-Ni-B-Si粉末。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例1中的步骤（1）完全相同；

（2）采用火焰喷涂方法对粗化后的基体表面进行Fe-Ni-B-Si喷涂，控制喷涂参数为：助燃气O₂、燃气C₂H₂和压缩空气的压力分别为0.5MPa、0.1MPa和0.6MPa，流量分别为50slpm、25slpm和250slpm，送粉速率为40g/min，喷涂距离为150mm。

实施例4：

本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用火焰喷涂法制备一层Fe-Ni-B-Si涂层。所述的基材、Fe-Ni-B-Si涂层原材料及其热喷涂方法与上述对比实施例4相同，所不同的是在基材表面采用火焰喷涂法制备一层Fe-Ni-B-Si涂层后，将基体和涂层经过热处理以提高涂层的抗热冲击性能。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例4中的步骤（1）完全相同；

（2）与对比实施例4中的步骤（2）完全相同；

（3）对所制得的涂层和基体进行热处理至恒定温度，保温一定时间后冷却，控制热处理的工艺参数为：大气气氛下，升温速率为15℃/min，恒温温度为850℃，保温时间为5h，涂层和基体随炉冷却。

上述对比实施例4与实施例4制备得到的Fe-Ni-B-Si涂层的微观组织形貌对比结果类似图2（a）与图2（b）的对比结果。

对上述对比实施例4与实施例4制备得到的Fe-Ni-B-Si涂层分别进行800℃下的水淬热冲击试验，经过97次水淬热冲击测试后，对比实施例4中未热处理的Fe-Ni-B-Si涂层发生破坏，而实施例4中热处理后的Fe-Ni-B-Si涂层仍保持完好。观察结果表明：热处理能显著改善Fe-Ni-B-Si涂层的抗热冲击性能，采用火焰喷涂和热处理相结合的方法可制得抗热冲击性能优异的Fe-Ni-B-Si涂层。

对比实施例5：

本实施例是下述实施例5的对比实施例。本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用超音速火焰喷涂法制备一层WC-Co涂层。制备WC-Co涂层所采用的原料为市售WC-Co粉末。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例1中的步骤（1）完全相同；

（2）采用超音速火焰喷涂方法对粗化后的基体表面进行粉末喷涂，控制超音速火焰喷涂参数为：助燃气（O₂）、燃气（C₃H₈）、压缩空气的压力分别为10bar、6bar、7bar，流量分别为240slpm、70slpm、380slpm，送粉气N₂流量为15slpm，粉末输送速率为50g/min，喷涂距离为250mm。

实施例5：

本实施例中，以低碳钢为基材，在其表面采用超音速火焰喷涂法制备一层WC-Co涂层。所述的基材、WC-Co涂层原材料及其热喷涂方法与上述对比实施例5相同，所不同的是在基材表面采用超音速火焰喷涂法制备一层WC-Co涂层后，将基体和涂层经过热处理以提高涂层的抗热冲击性能。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例5中的步骤（1）完全相同；

（2）与对比实施例5中的步骤（2）完全相同；

（3）对所制得的涂层和基体进行热处理至恒定温度，保温一定时间后冷却，控制热处理的工艺参数为：大气气氛下，升温速率为15℃/min，恒温温度为1300℃，保温时间为5h，涂层和基体随炉冷却。

上述对比实施例5与实施例5制备得到的WC-Co涂层的微观组织形貌对比结果类似图2（a）与图2（b）的对比结果。

对上述对比实施例5与实施例5制备得到的WC-Co涂层分别进行800℃下的水淬热冲击试验，经过94次水淬热冲击测试后，对比实施例5中未热处理的WC-Co涂层发生破坏，而实施例5中热处理后的WC-Co涂层仍保持完好。观察结果表明：热处理能显著改善WC-Co涂层的抗热冲击性能，采用超音速火焰喷涂和热处理相结合的方法可制得抗热冲击性能优异的WC-Co涂层。

对比实施例6：

本实施例是下述实施例6的对比实施例。本实施例中，以镁合金为基材，在其表面采用电弧喷涂法制备一层Al涂层。制备锌铝涂层所采用的原料为市售直径3mm的铝丝。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例1中的步骤（1）完全相同；

（2）采用电弧喷涂方法对粗化后的基体表面进行Al喷涂，控制电弧喷涂枪的喷涂参数为：喷涂电流250A，喷涂电压40V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离200mm。

实施例6：

本实施例中，以镁合金为基材，在其表面采用电弧喷涂法制备一层Al涂层。所述的基材、Al涂层原材料及其热喷涂方法与上述对比实施例6相同，所不同的是在基材表面采用电弧喷涂法制备一层Al涂层后，将基体和涂层经过热处理以提高涂层的抗热冲击性能。该涂层的具体制备方法如下：

（1）与对比实施例6中的步骤（1）完全相同；

（2）与对比实施例6中的步骤（2）完全相同；

（3）对所制得的涂层和基体进行热处理至恒定温度，保温一定时间后冷却，控制热处理的工艺参数为：大气气氛下，升温速率为15℃/min，恒温温度为600℃，保温时间为5h，涂层和基体随炉冷却。

上述对比实施例3与实施例3制备得到的Al涂层的微观组织形貌对比结果类似图2（a）与图2（b）的对比结果。

对上述对比实施例6与实施例6制备得到的Al涂层分别进行600℃下的水淬热冲击试验，经过101次水淬热冲击测试后，对比实施例6中未热处理的Al涂层发生破坏，而实施例6中热处理后的Al涂层仍保持完好。观察结果表明：热处理能显著改善Al涂层的抗热冲击性能，采用电弧喷涂和热处理相结合的方法可制得抗热冲击性能优异的Al涂层。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗热冲击金属基涂层的制备方法，其特征是：首先，利用热喷涂技术在经过粗化后的金属基体表面制备金属基涂层；然后，对该基体与涂层进行热处理，待基体与涂层升温至恒定温度后保温一定时间，使涂层和基体之间发生原子扩散，在结合部位生成一层扩散层，所述的恒定温度为涂层中金属材料熔点的70％～95％；最后，冷却得到金属基涂层；

所述的金属基涂层材料包括金属-氧化物和金属-碳化物；

所述的热处理工艺中，基体与涂层的升温速率为5～20℃/min；

所述的热处理工艺中，保温时间为2～10h；

所述的热喷涂方法为电弧喷涂，喷涂参数为：喷涂电流100～400A，喷涂电压20～60V，压缩空气压力0.4～1MPa，喷涂距离100～300mm。

2.根据权利要求1所述的抗热冲击金属基涂层的制备方法，其特征是：所述的热处理环境为真空环境、大气环境和保护性气氛环境。

3.根据权利要求1所述的抗热冲击金属基涂层的制备方法，其特征是：所述的金属基体的粗化方法包括喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。