CN104384509A - 一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

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于月光
章德铭
冀晓鹃
杨永琦
沈婕
刘建明
黄凌峰
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Abstract

本发明公开了一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料及其制备方法，包括以下步骤：1)对SiC颗粒表面进行清洗、抽滤、干燥；2)采用PVD、电镀或包埋渗复合工艺将处理后的SiC颗粒表面包覆一层铬；3)真空热处理上述Cr包SiC粉末颗粒，在Cr/SiC界面形成一层障碍层。本发明制备工艺简单，成本较低，且获得的复合粉末颗粒包覆层均匀、致密、性能优异、工艺适应性好，可通过与镍基高温合金粉末混合，采用热喷涂工艺、钎焊工艺、激光熔覆工艺或者电镀工艺等多种工艺，制备燃气轮机叶片叶尖耐磨封严涂层，可用于1000℃以上的恶劣环境，具有结合强度高、耐磨性优异、高温热稳定性好等特点。

Description

一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高温合金的应用领域和耐磨复合粉末技术领域，涉及一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料及其制备方法。
背景技术
高温合金零部件一般应用在600-1200℃高温环境，例如现代燃汽涡轮发动机的燃烧室、涡轮导向叶片与工作叶片、涡轮盘及涡轮转子结构件等。当在其工作过程中出现摩擦的工况时，高温合金就会出现过度磨损，严重影响高温合金零部件的使用寿命。因此，在零部件的摩擦面表面需要制备一种耐磨涂层，使其在运行过程中可以切削对磨件而不损伤高温零部件。
目前国内在高温合金上应用耐磨涂层的研究才刚刚起步，可见的报道仅沈阳黎明航空发动机公司在其生产的重型燃汽涡轮发动机的涡轮一级高温合金工作叶片上采用激光熔覆技术直接涂覆了一层厚的钴基自熔合金，形成耐磨叶尖涂层，但耐磨效果十分有限。国外一般采用立方氮化硼、氧化锆、碳化硅等硬质耐磨颗粒在高温合金表面制备一层耐磨层，起到了良好的应用效果，其中，碳化硅(SiC)是一种应用于800℃以上工况环境的最广泛的高温硬质耐磨材料，其莫氏硬度高达9～9.5级，并具有导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能、耐腐蚀性能和高温抗氧化性好等优点。但是，当SiC与高温合金接触时，特别是在1000℃以上接触时，高温合金中的Ni会促进SiC分解成硅化物和石墨等有害物质，导致SiC的耐磨性能下降而使涂层失效。
发明内容
本发明的目的是为了在高温合金零部件的摩擦面制备有效的SiC-高温合金耐磨涂层，解决在高温下高温合金中的元素对SiC颗粒的侵蚀作用，使得涂层耐磨性能失效的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料，该材料为三层核壳结构，核心为SiC颗粒，SiC颗粒外表面为致密障碍层，障碍层外面为包覆层。
进一步地，所述障碍层和包覆层均为金属Cr。
进一步地，所述SiC颗粒粒径为45～600μm，所述致密障碍层厚度为1～10μm，所述包覆层厚度为1～50μm。
由于金属铬(Cr)与SiC化学性质稳定，并与高温基质合金具有较好相溶性，因此在SiC颗粒表面镀覆一层Cr，可避免SiC颗粒与高温合金直接接触。
通过在SiC颗粒表面制备Cr包覆层，避免其与高温合金元素的直接接触；通过后续的热处理，在SiC颗粒表面与Cr包覆层之间形成一层致密障碍层，阻止高温合金元素扩散进入；采用Cr作为包覆层材料，增强SiC与高温合金的润湿性，提高其与高温合金的结合强度，防止其在摩擦过程中被拔出。采用该材料与高温合金共同组成的耐磨封严涂层具有结合强度高、耐磨性和高温性能优异的特点。
本发明提供一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
1)对SiC颗粒表面进行清洗、抽滤、干燥；
2)将经过步骤1)处理后的SiC颗粒表面包覆一层铬；
3)真空热处理上述Cr包SiC粉末颗粒，在Cr/SiC界面形成一层致密障碍层。
按上述方案，步骤1)采用的SiC颗粒为45～600μm之间；
按上述方案，步骤1)清洗所采用溶剂为乙醇、丙醇或乙醇与水的混合溶剂。
按上述方案，步骤2)采用的包覆工艺为物理气相沉积工艺、物理气相沉积与电镀复合工艺、或者物理气相沉积与包埋渗复合工艺。
按上述方案，步骤2)所获得粉末的Cr包覆层的厚度在1～50μm之间。
按上述方案，步骤3)所获得粉末的Cr致密障碍层的厚度在1～10μm之间。
按上述方案，步骤3)热处理的温度为1000～1300℃。
本发明具有以下优点：
1、采用上述方法获得的铬包碳化硅复合粉末颗粒，具有SiC核心颗粒导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能、耐腐蚀性能和高温抗氧化性好等特点，又具有Cr包覆层的金属特性。同时，Cr包覆层可有效的避免SiC在高温下与高温合金基质直接接触，并通过在界面之间形成障碍层，防止高温合金元素向SiC颗粒表面的扩散。
2、本发明制备工艺简单，成本较低，且获得的复合粉末颗粒包覆层均匀、致密、性能优异，便于推广应用。
3、采用本发明制备的Cr包SiC粉末颗粒，工艺适应性好，并可与高温合金粉末混合使用，适用于热喷涂、钎焊、激光熔覆或者电镀等多种工艺技术，在高温合金表面制备的耐磨涂层，可用于1000℃以上的恶劣环境，具有结合强度高、耐磨性优异、高温热稳定性好等特点，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为Cr包SiC粉末颗粒材料的示意图，1为SiC颗粒，2为致密障碍层，3为包覆层。
图2为Cr包SiC粉末颗粒材料的剖面照片。
图3为Cr包SiC粉末包覆层界面的剖面照片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1
以100mL无水乙醇，100mL去离子水为溶剂，将100g碳化硅颗粒加入到250mL的烧杯中，放入超声波清洗仪中清洗10min，过滤，干燥以备使用。
将清洗干燥后的碳化硅颗粒放入PVD设备中，并使其充分翻滚，溅射功率为200w，溅射温度为200℃，在充有溅射气体Ar的真空条件下，使得溅射气体辉光放电而电离出稀有气体的离子，稀有气体离子在电场作用下加速轰击靶材Cr的表面，溅射出Cr原子，在电磁场的作用下，Cr原子落在SiC颗粒的表面，沉积为Cr薄膜，Cr薄膜的厚度为1～10μm。
配置镀铬溶液：铬酸酐(CrO3)350g/L、硫酸(H2SO4)2.5g/L，氟硅酸(H2SiF5)1.5g/L。将配置好的镀铬溶液置入镀液槽中，升温到70℃，将上述通过PVD获得的Cr包SiC粉末颗粒置入滚镀装置中，通电电镀，电流密度为70A/dm3，电镀1～6h后，停止通电，过滤，再用蒸馏水将SiC颗粒表面的镀铬液清洗干净，然后干燥，获得Cr包SiC粉末颗粒，Cr包覆层的厚度为1～50μm。
将获得的Cr包SiC粉末颗粒置于氧化铝坩埚中，放入真空烧结炉中，并冲入氩气进行保护，烧结温度为1100℃，烧结4～30h后取出，一般为烧结饼形状。
将烧结饼破碎，通过50目的筛网过筛后，获得需要的Cr包SiC复合粉末材料。
实施例2
以100mL无水乙醇，100mL去离子水为溶剂，将100g碳化硅颗粒加入到250mL的烧杯中，放入超声波清洗仪中清洗10min，过滤，干燥以备使用。
将清洗干燥后的碳化硅颗粒放入PVD设备中，并使其充分翻滚，溅射功率为200w，溅射温度为200℃，在充有溅射气体Ar的真空条件下，使得溅射气体辉光放电而电离出稀有气体的离子，稀有气体离子在电场作用下加速轰击靶材Cr的表面，溅射出Cr原子，在电磁场的作用下，Cr原子落在SiC颗粒的表面，沉积为Cr薄膜，Cr薄膜的厚度为1～15μm。
将获得的Cr包SiC粉末颗粒置于氧化铝坩埚中，放入真空烧结炉中，并冲入氩气进行保护，烧结温度为1100℃，烧结4～30h后取出，一般为烧结饼形状。
将烧结饼破碎，通过50目的筛网过筛后，获得需要的Cr包SiC复合粉末材料。
实施例3
以100mL无水乙醇，100mL去离子水为溶剂，将100g碳化硅颗粒加入到250mL的烧杯中，放入超声波清洗仪中清洗10min，过滤，干燥以备使用。
将清洗干燥后的碳化硅颗粒放入PVD设备中，并使其充分翻滚，溅射功率为200w，溅射温度为200℃，在充有溅射气体Ar的真空条件下，使得溅射气体辉光放电而电离出稀有气体的离子，稀有气体离子在电场作用下加速轰击靶材Cr的表面，溅射出Cr原子，在电磁场的作用下，Cr原子落在SiC颗粒的表面，沉积为Cr薄膜，Cr薄膜的厚度为1～15μm。
取20g超细铬粉，与上述通过PVD获得的Cr包SiC粉末颗粒均匀混合，平铺在氧化锆坩埚中，放入真空热处理炉中，抽真空，加热到1038℃，保温4h。随炉冷却到室温后，从炉中取出试样，可能为一个烧结饼形状。
将烧结饼破碎，通过50目的筛网过筛后，获得需要的Cr包SiC复合粉末材料。

Claims (10)

1.一种抗高温合金侵蚀的耐磨材料，其特征在于，所述耐磨材料为三层核壳结构，核心为SiC颗粒，SiC颗粒外表面为致密障碍层，障碍层外面为包覆层。 
2.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述障碍层和包覆层均为金属Cr。 
3.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述SiC颗粒粒径为45～600μm，所述致密障碍层厚度为1～10μm，所述包覆层厚度为1～50μm。 
4.根据权利要求1所述的耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 
1)对SiC颗粒表面进行清洗、抽滤、干燥； 
2)将经过步骤1)处理后的SiC颗粒表面包覆一层铬； 
3)真空热处理上述Cr包SiC粉末颗粒，在Cr/SiC界面形成一层致密障碍层。 
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)采用的包覆工艺为物理气相沉积工艺、物理气相沉积与电镀复合工艺或者物理气相沉积与包埋渗复合工艺。 
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所采用的热处理温度为1000～1300℃。 
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)清洗所用溶剂为乙醇、丙醇或乙醇与水的混合溶剂。 
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所采用的SiC颗粒为45～600μm之间。 
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)形成的Cr包覆层的厚度在1～50μm之间。 
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)形成的Cr致密障碍层的厚度在1～10μm之间。 
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