CN104827027B - 用于等离子熔覆的Ni‑(Ta/Zr/Hf)‑Re合金粉末的制备方法 - Google Patents

Abstract

用于等离子熔覆的Ni‑(Ta/Zr/Hf)‑Re合金粉末的制备方法，它属于涂层制备技术领域。它要解决现有用于等离子熔覆的熔覆材料存在快速成型多层熔覆条件下容易开裂的问题。方法：一、取钽金属板、锆金属板和铪金属板，分别进行熔炼，获得熔体；二、熔体注入到水雾化系统中制备金属粉末，晾干，分别获得钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉；三、将镧粉与铯粉混合，得混合粉末；四、将镍基粉末、混合粉末与钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉混合，即完成。本发明中Ni‑(Ta/Zr/Hf)‑Re合金粉末制备的等离子熔覆涂层表现出较好的耐磨性，热震120次后熔覆层毫无开裂迹象或者出现细微的裂纹，熔覆层与基体的冶金结合强度高。

Description

用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法

技术领域

本发明涉及用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，属于涂层制备技术领域。

背景技术

等离子熔覆是集等离子加热熔化、熔池中物质交互作用及快速凝固成形等多学科交叉的一门新技术，此技术在表面处理方面得到较细致的研究。能够在廉价的基体材料上熔覆性能优异的合金粉末，可显著改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等，从而节省大量的贵重合金元素，具有广阔的发展前景，不仅是材料科学和凝聚态物理十分感兴趣的研究对象，更是国内外相关学科研究的热点和前沿。

等离子熔覆的高温热源是经过多次压缩的高能量密度的离子束，其填充合金为经过特殊处理的粉末状的合金，应用在表面工程技术领域。熔覆技术包括：激光熔覆技术和等离子熔覆技术；等离子熔覆技术与激光熔覆技术相近，差别是将高温加热所用的激光束改成等离子束。它是建立在堆焊的基础上，在高能量密度等离子束加热下，基体表面薄层与根据需要加入的合金同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低且与基体材料成冶金结合的，具有一定厚度的表面涂层，从而满足某一特殊性能要求的工艺方法。

现有采用镍基粉末作为熔覆材料在快速成型多层熔覆条件下容易开裂，成型材料选择正成为该技术面临的一个主要技术瓶颈，即使加入TiC和WC等金属陶瓷颗粒，在多层熔覆情况下依然具有较大开裂倾向。因此在现有熔覆材料基础上开发等离子熔覆快速成型专用合金体系迫在眉睫。

发明内容

本发明目的是为了解决现有用于等离子熔覆的熔覆材料存在快速成型多层熔覆条件下容易开裂的问题，而提供用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法。

用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，按以下步骤实现：

一、取钽金属板、锆金属板和铪金属板，分别放入熔炼炉中，在400℃下加热至熔体过热度为150～220℃；

二、将步骤一中的熔体注入到水雾化系统中，通过控制水压调节粉末粒度，制备金属粉末，晾干，分别获得钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉；

三、将镧粉与铯粉按任意比混合，获得混合粉末；

四、将镍基粉末、混合粉末与钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉按照质量百分比92﹕2﹕2﹕2﹕2进行混合，获得合金粉末，即完成用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备；

其中步骤二中熔体注入到水雾化系统后，系统参数：熔体流速为40～50g/s，高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为20～45°，高压水的压力为25～80MPa，高压水的流量为4～7m³/min。

本发明采用水雾化法制备金属粉，生产成本低，安全性高，工艺简单，适合大规模生产，所得金属粉具有晶粒形状规则、晶粒细小、成分均匀的特点；将其与镍基粉末和稀土粉末混合后获得了能用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末，使用后制备出了性能良好的等离子熔覆涂层，且涂层使用寿命长，涂层的耐磨性及抗热震性均高于现有填充合金所能制备出的涂层。

本发明中所得用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末，制备成等离子熔覆涂层后进行性能测试，由测试结果可知，相对于镍基粉末涂层，添加合金元素的等离子熔覆涂层表现出较好的耐磨性，热震120次后熔覆层毫无开裂迹象或者出现细微的裂纹，熔覆层与基体的冶金结合强度高。

附图说明

图1为实施例中所得Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的扫描电镜形貌图；

图2为实施例中等离子熔覆制备的镍基合金涂层的宏观形貌图；

图3为实施例中等离子熔覆制备的镍基合金涂层的微观扫描形貌图；

图4为实施例中等离子熔覆制备的镍基合金涂层的热震120次后熔覆层的扫描电镜形貌图；

图5为实施例中等离子熔覆制备的镍基合金涂层与镍基粉末的熔覆层的耐冲蚀性能对比图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，按以下步骤实现：

一、取钽金属板、锆金属板和铪金属板，分别放入熔炼炉中，在400℃下加热至熔体过热度为150～220℃；

二、将步骤一中的熔体注入到水雾化系统中，通过控制水压调节粉末粒度，制备金属粉末，晾干，分别获得钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉；

三、将镧粉与铯粉按任意比混合，获得混合粉末；

四、将镍基粉末、混合粉末与钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉按照质量百分比92﹕2﹕2﹕2﹕2进行混合，获得合金粉末，即完成用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备；

其中步骤二中熔体注入到水雾化系统后，系统参数：熔体流速为40～50g/s，高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为20～45°，高压水的压力为25～80MPa，高压水的流量为4～7m³/min。

本实施方式中镧粉、铯粉和镍基粉末均为市售产品通过购买获得。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中在400℃下加热至熔体过热度为190℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤二中熔体注入到水雾化系统后，系统参数：熔体流速为45g/s，高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为30°，高压水的压力为50MPa，高压水的流量为5m³/min。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，步骤二高压水的压力为25～80MPa，则能够调节粉末粒度为80～120μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤二中晾干是在烘干箱内以100～180℃进行烘干。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四五之一不同的是，步骤四中镍基粉末的粒度为30～70μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：

用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，按以下步骤实现：

一、取钽金属板、锆金属板和铪金属板，分别放入熔炼炉中，在400℃下加热至熔体过热度为200℃；

二、将步骤一中的熔体注入到水雾化系统中，通过控制水压调节粉末粒度，制备金属粉末，晾干，分别获得钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉；

三、将镧粉与铯粉按任意比混合，获得混合粉末；

四、将镍基粉末、混合粉末与钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉按照质量百分比92﹕2﹕2﹕2﹕2进行混合，获得合金粉末，即完成用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备；

其中步骤二中熔体注入到水雾化系统后，系统参数：熔体流速为45g/s，高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为35°，高压水的压力为60MPa，高压水的流量为6m³/min。

本实施例中镧粉、铯粉和镍基粉末均为市售产品通过购买获得。

本实施例步骤二所得钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉的粉末粒度为100μm。

本实施例步骤三中所用镍基粉末的粒度为50μm。

采用本实施例中制备所得Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末进行等离子熔覆，对所获镍基合金涂层进行性能测试：使用FV520B作为基体，依次使用60、320、600、800、1000、1500、2000、2500等目数的水磨砂纸进行打磨，去氧化皮，去除毛边，使基体表面平整光亮，然后用无水乙醇和丙酮依次清洗，以减少基体表面缺陷对测试的影响；Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末用于等离子熔覆过程，工艺参数：使用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，采用的电流为100A，电压为50V，送分量为6.4G/MIN；

所获镍基合金涂层经测试，结果如图1所示，Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的颗粒大多数呈球形、性状规则、晶粒细小；

如图2所示，可见涂层成形性良好，与基体相比，熔覆层具有闪亮的金属光泽，熔覆层表面呈现波纹状并具有一定的方向；

如图3所示，可见等离子熔覆层组织呈定向快速凝固特征，在熔覆层/基体结合界面处存在白亮带，是一条非常窄的亮带，该亮白带之所以呈白色，是因为固溶了大量的Cr，耐蚀性提高的结果，其组织结构为沿基体表面垂直生长的平面结晶带，在平面结晶带沿散热方向形成典型的柱状树枝晶和胞状晶，从界面结合区相熔覆层内部生长。这是因为在进行等离子熔覆时，合金粉末吸收能量快速熔化，同时基体也吸收一部分热量使其表面熔融，由于基体的快速传热的急冷作用，当等离子束离开熔池后，底层融化合金即发生快速凝固产生胞状晶和枝晶。这种熔覆层与基体的结合方式将极大的提高熔覆层与基体的冶金结合强度；

如图4所示，热震120次后熔覆层毫无开裂迹象或者出现细微的裂纹，无论是熔覆层本身或者是基体或者是熔覆层与基体之间结合性能都很好。

如图5所示，与镍基粉末的熔覆层相比，加入金属元素的粉末熔覆层在冲蚀后的损耗率更低，具有较好的抗冲蚀性能。

Claims (6)

1.用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，其特征在于它按以下步骤实现：

一、取钽金属板、锆金属板和铪金属板，分别放入熔炼炉中，在400℃下加热至熔体过热度为150～220℃；

二、将步骤一中的熔体注入到水雾化系统中，通过控制水压调节粉末粒度，制备金属粉末，晾干，分别获得钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉；

三、将镧粉与铯粉按任意比混合，获得混合粉末；

四、将镍基粉末、混合粉末与钽金属粉、锆金属粉和铪金属粉按照质量百分比92﹕2﹕2﹕2﹕2进行混合，获得合金粉末，即完成用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备；

其中步骤二中熔体注入到水雾化系统后，系统参数：熔体流速为40～50g/s，高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为20～45°，高压水的压力为25～80MPa，高压水的流量为4～7m³/min。

2.根据权利要求1所述的用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，其特征在于所述步骤一中在400℃下加热至熔体过热度为190℃。

3.根据权利要求1所述的用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，其特征在于所述步骤二中熔体注入到水雾化系统后，系统参数：熔体流速为45g/s，高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为30°，高压水的压力为50MPa，高压水的流量为5m³/min。

4.根据权利要求1所述的用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，其特征在于所述步骤二通过控制水压调节粉末粒度为80～120μm。

5.根据权利要求1所述的用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，其特征在于所述步骤二中晾干是在烘干箱内以100～180℃进行烘干。

6.根据权利要求1所述的用于等离子熔覆的Ni-(Ta/Zr/Hf)-Re合金粉末的制备方法，其特征在于所述步骤四中镍基粉末的粒度为30～70μm。