CN104357779A - 一种铁铝金属间化合物涂层涂料及其喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁铝金属间化合物涂层涂料及其喷涂方法，属于金属材料表面改性技术领域，本发明铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：纯铝粉Al20-30%，氧化铁粉Fe₂O₃ 50-60%，无水乙醇10-20%，聚乙烯醇溶液粘结剂5-8%。先将两种粉末按照所使用的比例进行机械混合，然后加入乙醇10-20%，搅拌，充分混合后，再加入铁铝总重量5-8%的聚乙烯醇溶液粘结剂，继续搅拌均匀后，放入100oC烘干箱中进行烘干，将干燥后的粉末进行破碎、筛分；或者将搅拌均匀的混合粉末，在150oC的气氛中进行喷雾干燥，筛分后获得粒度在10-50μm的复合粉体。喷涂方法：使用丙酮清洗和喷砂进行表面处理后使用铁铝金属粉末进行喷涂。

Description

一种铁铝金属间化合物涂层涂料及其喷涂方法

技术领域

本发明涉及一种铁铝金属间化合物涂层涂料及其喷涂方法，具体地说是一种超低压等离子喷涂原位反应合成金属间化合物涂层涂料及喷涂方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

等离子喷涂采用等离子弧作为热源，将粉末粒子加热到熔化或半熔化状态，并在气体射流中加速，最终喷涂到基材表面形成涂层。由于它具有焰流温度高：等离子弧中心温度可达16000℃，喷射流速度较快：200-400m/s，喷涂材料广泛、涂层致密性高等优点，因此等离子喷涂是目前应用最广泛的喷涂工艺。最近，超低压等离子喷涂作为新一代的热喷涂技术能够喷涂均匀、致密、且具有类PVD薄膜结构的涂层，而受到广泛的关注。它采用低压惰性气氛保证了涂层产品不被氧化和污染。

反应等离子喷涂是将自蔓延高温合成技术同等离子喷涂技术相互结合而发展起来的新技术，它采用高放热体系作为喷涂材料，利用等离子热源熔化并引发喷涂材料的燃烧反应，在热喷涂过程中同时完成材料的合成与喷涂。它可利用廉价的原始喷涂材料，合成出性能优异的涂层，同时利用反应热提高喷涂温度，从而提高涂层与基体的结合强度。目前，应用反应等离子喷涂技术已成功制备出Fe-TiB₂、Cu-TiB₂、Fe-TiC、Al-Al₂O₃、TiN、Ti-TiN、TiCN涂层等。

铁铝合金具有低密度，低成本，好的氧化抗性和机械性能，因此通常被应用于中温或高温环境下，作为抗热侵蚀的保护涂层。目前，铁铝涂层的主要制备方法包括大气等离子喷涂，高速火焰喷涂，以及冷喷涂技术，喷涂粉末一般采用机械合金化的合金粉体，但是粉末的制备过程相对复杂，而且在大气的喷涂环境中，容易造成氧化。

发明内容

为了克服上述技术上的不足，本发明的目的在于提供了一种铁铝金属间化合物涂层涂料及其喷涂方法，本发明采用超低压惰性气体的保护环境，将等离子喷涂与自蔓延高温合成技术相结合，提高了涂层的质量与性能，避免了大气环境的氧化与污染。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：

纯铝粉Al      粒度为3-10μm  20-30% 

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm    50-60%

无水乙醇                      10-20%

聚乙烯醇溶液粘结剂            5-8%。

涂层涂料的制作方法：先将两种粉末按照所使用的比例进行机械混合，然后加入乙醇10-20%，搅拌，充分混合后，再加入铁铝总重量5-8%的聚乙烯醇溶液粘结剂，继续搅拌均匀后，放入100oC烘干箱中进行烘干，将干燥后的粉末进行破碎、筛分；或者将搅拌均匀的混合粉末，在150oC的气氛中进行喷雾干燥，筛分后获得粒度在10-50μm的复合粉体。

涂层涂料的喷涂方法：

方法一：选用316不锈钢作为基体材料，使用丙酮清洗和喷砂进行表面处理；将喷涂室的压力降到1mbar，随后引发等离子弧，调节相关工艺参数达到要求值：喷涂距离40cm，基体温度1000°C，电流700A，氩气流量40L/min，氢气流量4L/min，喷涂功率32kW，送入粉末，进行喷涂；粉末流量为15g/min，喷涂枪的扫描速度为200mm/min，喷涂时间为10min，最终得到的涂层厚度为120μm，涂层的显微维氏硬度为590Hv100g。

方法二：选用普通碳钢作为基体材料，经过超声清洗与喷砂后，放入喷涂室；喷涂室的工作压力为1mbar，喷涂距离为60cm，基体温度1050℃，电流700A，氩气流量45L/min，氢气流量10L/min，喷涂功率44kW，粉末流量为10g/min，喷涂枪的扫描速度为200mm/min，喷涂时间为10min，最终获得厚度为100μm的FeAl涂层。

涂层的X射线衍射分析只有单一的FeAl相被发现，没有氧化物与其它相被发现。涂层表现出致密的微观结构，几乎没有孔隙与裂纹，并且与基体良好的结合。能谱面扫描分析发现，黑色区域说明存在更多的铝元素，而白色区域存在更多的铁元素，总体上涂层中的铝与铁元素分布比较均匀。涂层在不同载荷下的硬度测量结果显示，在不同载荷下涂层保持了高硬度，总体在600Hv左右，同时也反映出涂层致密的显微结构。

本发明的有益效果是：涂层质量高，结构致密，几乎没有孔隙，厚度一般为80-100μm，主要由FeAl相构成，没有其他的相被发现，而且没有氧化发生，涂层的显微维氏硬度约为600Hv。同现有的工艺相比，其优点为：与机械合金化方法相比，复合粉体的制备方式较为简便，原料价格低廉，可选择的范围广泛；获得的复合粉体中两种粉末的结合较好，粉末体系的绝热温度高，放出的热量大，有利于反应的充分进行，当等离子弧能量有限时，放出的热量能够辅助喷涂粒子的加热；采用超低真空的喷涂环境，可以极大的避免基体、喷涂粒子和涂层的氧化与污染，提高了涂层质量与涂层的结合强度；工作气体中的氢气，具有还原的作用，能够充分还原粉末中的氧，从而得到单相的FeAl涂层；真空环境中，基体材料可以被预热到很高的温度，能够降低涂层的孔隙率，提高涂层与基体的结合强度，降低残余应力；与大气等离子弧相比，超低压环境中的等离子弧更大，因此可以喷涂尺寸较大的零件。

具体实施方式

本发明铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：

纯铝粉Al      粒度为3-10μm 20-25%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm   50-60%

无水乙醇                     10-20%

聚乙烯醇溶液粘结剂           5-8%。

涂层涂料的制作方法：先将两种粉末按照所使用的比例进行机械混合，然后加入乙醇10-20%，搅拌，充分混合后，再加入铁铝总重量5-8%的聚乙烯醇溶液粘结剂，继续搅拌均匀后，放入100oC烘干箱中进行烘干，将干燥后的粉末进行破碎、筛分；或者将搅拌均匀的混合粉末，在150oC的气氛中进行喷雾干燥，筛分后获得粒度在10-50μm的复合粉体。

实施例1

纯铝粉Al      粒度为3-10μm   20%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm    60%

无水乙醇                       15%

聚乙烯醇溶液粘结剂             5%。

实施例2

纯铝粉Al      粒度为3-10μm    25%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm     60%

无水乙醇                       10%

聚乙烯醇溶液粘结剂             5%。

实施例3

纯铝粉Al      粒度为3-10μm   20%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm     55%

无水乙醇                       17%

聚乙烯醇溶液粘结剂             8%。

涂层涂料的喷涂方法：

实施例4

选用316不锈钢作为基体材料，使用丙酮清洗和喷砂进行表面处理；将喷涂室的压力降到1mbar，随后引发等离子弧，调节相关工艺参数达到要求值：喷涂距离40cm，基体温度1000°C，电流700A，氩气流量40L/min，氢气流量4L/min，喷涂功率32kW，送入粉末，进行喷涂；粉末流量为15g/min，喷涂枪的扫描速度为200mm/min，喷涂时间为10min，最终得到的涂层厚度为120μm，涂层的显微维氏硬度为590Hv100g。

实施例5

选用普通碳钢作为基体材料，经过超声清洗与喷砂后，放入喷涂室；喷涂室的工作压力为1mbar，喷涂距离为60cm，基体温度1050℃，电流700A，氩气流量45L/min，氢气流量10L/min，喷涂功率44kW，粉末流量为10g/min，喷涂枪的扫描速度为200mm/min，喷涂时间为10min，最终获得厚度为100μm的FeAl涂层。

涂层的X射线衍射分析只有单一的FeAl相被发现，没有氧化物与其它相被发现。涂层表现出致密的微观结构，几乎没有孔隙与裂纹，并且与基体良好的结合。能谱面扫描分析发现，黑色区域说明存在更多的铝元素，而白色区域存在更多的铁元素，总体上涂层中的铝与铁元素分布比较均匀。涂层在不同载荷下的硬度测量结果显示，在不同载荷下涂层保持了高硬度，总体在600Hv左右，同时也反映出涂层致密的显微结构。

Claims (6)

1.一种铁铝金属间化合物涂层涂料，其特征是：铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：

纯铝粉Al      粒度为3-10μm  20-30% 

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm    50-60%

无水乙醇                      10-20%

聚乙烯醇溶液粘结剂            5-8%。

2.根据权利要求1所述的一种铁铝金属间化合物涂层涂料，其特征是：铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：

纯铝粉Al      粒度为3-10μm   20%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm    60%

无水乙醇                       15%

聚乙烯醇溶液粘结剂             5%。

3.根据权利要求1所述的一种铁铝金属间化合物涂层涂料，其特征是：铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：

纯铝粉Al      粒度为3-10μm    25%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm     60%

无水乙醇                       10%

聚乙烯醇溶液粘结剂             5%。

4.根据权利要求1所述的一种铁铝金属间化合物涂层涂料，其特征是：铁铝金属间化合物涂层涂料由下述重量比例材料组成：

纯铝粉Al      粒度为3-10μm   20%  

氧化铁粉 Fe₂O₃ 粒度为1-3μm     55%

无水乙醇                       17%

聚乙烯醇溶液粘结剂             8%。

5.根据权利要求1-4所述的一种铁铝金属间化合物涂层涂料的喷涂方法，其特征是：

选用316不锈钢作为基体材料，使用丙酮清洗和喷砂进行表面处理；将喷涂室的压力降到1mbar，随后引发等离子弧，调节相关工艺参数达到要求值：喷涂距离40cm，基体温度1000°C，电流700A，氩气流量40L/min，氢气流量4L/min，喷涂功率32kW，送入粉末，进行喷涂；粉末流量为15g/min，喷涂枪的扫描速度为200mm/min，喷涂时间为10min，最终得到的涂层厚度为120μm。

6.根据权利要求1-4所述的一种铁铝金属间化合物涂层涂料的喷涂方法，其特征是：

选用普通碳钢作为基体材料，经过超声清洗与喷砂后，放入喷涂室；喷涂室的工作压力为1mbar，喷涂距离为60cm，基体温度1050℃，电流700A，氩气流量45L/min，氢气流量10L/min，喷涂功率44kW，粉末流量为10g/min，喷涂枪的扫描速度为200mm/min，喷涂时间为10min，最终获得厚度为100μm的FeAl涂层。