CN108546898A - 一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料及其制备方法 - Google Patents

一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料及其制备方法。首先使用喷雾干燥的方法制备出NiTi合金与TiB2陶瓷复合的粉末颗粒。原料粉包含TiB2粉末、金属Ni粉末和TiH2粉末三种，其中TiB2粉末约占总质量的60％，金属Ni粉末约占总质量的18.5％～22.5％，TiH2粉末占总质量的17.5％～21.5％。干燥后的粉末在惰性气环境下进行热处理之后，使用等离子喷涂技术在金属基材表面喷涂NiTi合金陶瓷复合涂层，等离子喷涂的参数为：喷涂距离100mm，氩气流量30SLPM，氢气流量12SLPM，电流500A，电压60～70V，送粉速率35g/min。所制备的涂层中主要物相为TiB2相和NiTi相，涂层平均显微硬度达到868.6(Hv0.05)，较之于传统的NiTi合金涂层有显著的提高。

Description

一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于工程材料表面防护领域，涉及一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料及其制备方法，具体涉及了一种使用喷雾干燥法进行复合粉末的团聚，使用等离子喷涂制备NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层的工艺制备方法。
背景技术
NiTi形状记忆合金具有优良的形状记忆效应、超弹性、高阻尼性能，以及良好的耐腐蚀性和优异的生物相容性。尤其是近等原子比的NiTi合金有优异的抗空蚀性能，作为涂层材料，应用于螺旋桨、水轮机、液压泵等液体过流部件表面，可以延长设备使用寿命，减少经济损失。然而，NiTi合金一般多采用熔炼方式制备块材，难以作为涂层应用，另外，NiTi合金的硬度偏低，使得它在一些耐磨场合的应用受到了限制，而TiB2陶瓷具有高强度、高硬度、高耐磨性和高模量特性，被广泛应用于耐冲击装甲、切削工具、耐磨涂层等领域。
将NiTi合金与TiB2陶瓷进行复合，可以兼顾NiTi合金的超弹性、高阻尼性以及TiB2硬度高、耐磨性好的优点，而NiTi合金超弹性的特点，又能抵消纯TiB2陶瓷脆性大的缺点。
本发明提出了一种易于实现的、低成本的、高体积分数陶瓷相增强的NiTi合金涂层材料及涂层制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种NiTi合金与TiB2陶瓷进行复合的涂层材料及其制备方法，该方法具有成本低，操作简单，易于实现的特点。
根据本发明的一个方面，提供了一种TiB2-NiTi金属陶瓷涂层材料的制备方法，采用喷雾干燥法制备金属陶瓷复合粉末，使用TiB2粉末质量分数为60％，Ni粉末质量分数为18.5％～22.5％，TiH2粉末质量分数为17.5％～21.5％。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种TiB2-NiTi金属陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于以高纯度，1～5μm的TiB2粉末、2～4μm的Ni粉末和1～3μm的TiH2粉末为原料，采用二流式气动喷雾干燥技术制备团聚烧结型热喷涂粉末。团聚烧结型粉末经过热处理具有一定的结合强度，适用于等离子喷涂工艺。
根据本发明的另一个方面，提供了一种NiTi合金与陶瓷进行复合的涂层的制备方法，其特征在于使用本发明制备的45μm～90μm粒度范围的TiB2-NiTi团聚粉末作为等离子喷涂材料，采用等离子喷涂的方式达到快速冷却的效果，使得最终涂层的粘结相为NiTi相。
附图说明
图1喷雾干燥制备的TiB2-NiTi粉末的形貌图
图2 1200℃热处理TiB2-NiTi(Ti含量为17.5％)XRD曲线与TiB2-TiNi涂层(Ti含量为17.5％)的表面形貌图
图3 1200℃热处理TiB2-NiTi(Ti含量为19.5％)XRD曲线与TiB2-TiNi涂层(Ti含量为19.5％)的表面形貌图
图4 1200℃热处理TiB2-NiTi(Ti含量为21.5％)XRD曲线与TiB2-TiNi涂层(Ti含量为21.5％)的表面形貌图
图5等离子喷涂TiB2-TiNi涂层的XRD曲线
具体实施方式
本发明选用1～5μm的TiB2粉末、2～4μm的Ni粉末和1～3μm的TiH2粉末为原料。在此基础上进行优化设计，具体内容如下：
1.一种NiTi合金与陶瓷复合的涂层材料及其制备方法，组成成分及质量百分比含量：
TiB2质量百分比含量60％，Ni质量百分比含量18.5％～22.5％，TiH2质量百分比含量17.5％～21.5％。采用喷雾干燥的方法制备团聚烧结型颗粒。
2.为了使添加粉末混合均匀，采用球磨机对混料进行低速球磨，球磨速度为270r/min，球磨时间5h。
3.等离子喷涂的工艺参数，喷涂距离100mm，氩气流量30SLPM，氢气流量12SLPM，电流500A，电压60～70V，送粉速率35g/min。
1.所述TiB2粉末材料粒径为1-5μm。
2.镍元素采用镍粉，颗粒粒径2～4μm。
3.钛元素采用氢化钛粉，颗粒粒径1～3μm。
以下实施例阐明了本发明的具体内容，但本发明决非局限于以下实施例。
实施例1：
粉末制备：
TiB2质量百分比：60％，Ni质量百分比：22.5％，TiH2质量百分比：17.5％。将优化好的粉末混料均匀后加入去离子水与分散剂、粘结剂。有机分散剂PAANH4的质量为混合粉末质量的0.8％，有机粘结剂PVA的质量为混合粉末质量的1％。
采用球磨机对混料进行低速球磨，球磨速度为270r/min，球磨时间5h。
喷雾干燥机入口温度为190℃～200℃，出口温度为120℃～130℃，喷雾干燥机蠕动泵转速为6r/min，气体压力为0.5MPa，气体流量为1.5m3/h。
对粉末在惰性气氛下进行热处理。热处理升温速率5℃/min，450℃、700℃和1200℃分别保温1小时，氩气气氛保护。以下实施例热处理方式均相同。
涂层制备：
喷涂设备为Metco 9Mb等离子喷涂系统，等离子喷涂的工艺参数，喷涂距离100mm，氩气流量30SLPM，氢气流量12SLPM，电流500A，电压60～70V，送粉速率35g/min，喷涂厚度控制在280～300μm。
对实施例1制备的粉末和涂层进行表面形貌观察以及XRD衍射分析。
所制备的涂层中主要物相为TiB2相和NiTi相，涂层平均显微硬度达到868.6(Hv0.05)以上，较之于传统的NiTi合金涂层有显著的提高。以下实施例效果均类似，不再赘述。
实施例2：
粉末制备：
TiB2质量百分比：60％，Ni质量百分比：20.5％，TiH2质量百分比：19.5％。将优化好的粉末混料均匀后加入去离子水与分散剂、粘结剂。有机分散剂PAANH4的质量为混合粉末质量的0.8％，有机粘结剂PVA的质量为混合粉末质量的1％。
采用球磨机对混料进行低速球磨，球磨速度为270r/min，球磨时间5h。
喷雾干燥机入口温度为190℃～200℃，出口温度为120℃～130℃，喷雾干燥机蠕动泵转速为6r/min，气体压力为0.5MPa，气体流量为1.5m3/h。
对粉末在惰性气氛下进行热处理。
涂层制备：
喷涂设备为Metco 9Mb等离子喷涂系统，等离子喷涂的工艺参数，喷涂距离100mm，氩气流量30SLPM，氢气流量12SLPM，电流500A，电压60～70V，送粉速率35g/min，喷涂厚度控制在280～300μm。
对实施例2制备的粉末和涂层进行表面形貌观察以及XRD衍射分析。
实施例3：
粉末制备：
TiB2质量百分比：60％，Ni质量百分比：19.5％，TiH2质量百分比：21.5％。将优化好的粉末混料均匀后加入去离子水与分散剂、粘结剂。有机分散剂PAANH4的质量为混合粉末质量的0.8％，有机粘结剂PVA的质量为混合粉末质量的1％。
采用球磨机对混料进行低速球磨，球磨速度为270r/min，球磨时间5h。
喷雾干燥机入口温度为190℃～200℃，出口温度为120℃～130℃，喷雾干燥机蠕动泵转速为6r/min，气体压力为0.5MPa，气体流量为1.5m3/h。
对粉末在惰性气氛下进行热处理。
涂层制备：
喷涂设备为Metco 9Mb等离子喷涂系统，等离子喷涂的工艺参数，喷涂距离100mm，氩气流量30SLPM，氢气流量12SLPM，电流500A，电压60～70V，送粉速率35g/min，喷涂厚度控制在280～300μm。
对实施例3制备的粉末和涂层进行表面形貌观察以及XRD衍射分析。
图1示意性的显示了通过实施例1～3制备的TiB2-NiTi团聚粉末的显微形貌。如图1所示，粉末具有良好的球形度。
图2显示了通过实施例1制备的TiB2-NiTi粉末的XRD衍射分析与涂层的表面形貌。如图2所示，粉末中主要的相为TiB2、NiTi2、NiTi以及TiO，涂层中灰色陶瓷颗粒均匀分布在粘结相中，白亮形状为粘结相。
图3显示了通过实施例2制备的TiB2-NiTi粉末的XRD衍射分析与涂层的表面形貌。如图3所示，粉末中主要的相为TiB2、Ni3Ti、NiTi以及TiO，随钛含量增加，粘结相有所增加。
图4显示了通过实施例3制备的TiB2-NiTi粉末的XRD衍射分析与涂层的表面形貌。如图4所示，粉末中主要的相为TiB2、Ni3Ti、NiTi以及TiO。与实施例2相比，NiTi的峰强明显较高即白亮区域增多，且存在部分未熔TiB2陶瓷颗粒。
图5显示了通过三种实施例制备的TiB2-NiTi涂层的XRD衍射分析结果。经过等离子喷涂快速冷却的方式，三种涂层中主要的相为TiB2、NiTi。

Claims (3)

1.一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料的制备方法，其特征在于：复合粉末中包含粒径分布1～5μm的TiB2粉末、2～4μm的金属Ni粉末和1～3μm的TiH2粉末，TiB2粉末占总质量的60％，Ni粉末占总质量的18.5％～22.5％，TiH2粉末占总质量的17.5％～21.5％；
采用球磨机对混料进行低速球磨，球磨速度为270r/min，球磨时间5h；然后使用喷雾干燥并热处理的方法制备NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层材料和使用等离子喷涂方法制备涂层。
2.根据权利要求1所述的一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合粉末材料的制备方法，其特征在于，喷雾干燥并热处理的方法具体为：利用二流式喷雾干燥设备制备粉末，喷雾干燥机入口温度为190℃～200℃，出口温度为120℃～130℃，喷雾干燥机蠕动泵转速为6r/min，气体压力为0.5MPa，气体流量为1.5m3/h；热处理升温速率5℃/min，450℃、700℃和1200℃分别保温1小时，氩气气氛保护。
3.根据权利要求1所述的一种NiTi合金与TiB2陶瓷复合的涂层制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂方法，喷涂工艺参数为：喷涂距离100mm，氩气流量30SLPM，氢气流量12SLPM，电流500A，电压60～70V，送粉速率35g/min。
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