CN108637263A

CN108637263A - 一种微波烧结制备TiB2-M金属陶瓷粉末的方法

Info

Publication number: CN108637263A
Application number: CN201810552667.0A
Authority: CN
Inventors: 孙冬柏; 俞宏英; 李正; 李正一
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; National Sun Yat Sen University
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: CN108637263B

Abstract

本发明公开了一种微波烧结制备TiB₂‑M金属陶瓷粉末的方法，属于金属陶瓷材料领域。本发明将TiB₂与Fe、Ni、Co、稀土氧化物进行球磨混合，加入分散剂和粘结剂和水制成料浆，继续球磨，利用高速离心喷雾干燥机干燥粉末，再进行微波烧结，得到金属陶瓷复合粉末。其中TiB₂和Fe、Ni、Co的质量比40%~60%:60%~40%，稀土加入量为粉末总质量的1%‑1.5%，分散剂聚丙烯酸铵为粉末总质量的0.8%‑1.2%，粘结剂聚乙二醇为粉末总质量的5%‑10%。本发明克服了传统烧结加热粉末组织性能的不稳定，细化了晶粒；同时粉末以涂层的形式喷涂在装备表面，可以提高装备材料的耐磨性，延长其服役寿命。

Description

一种微波烧结制备TiB2-M金属陶瓷粉末的方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料领域，更具体地说，涉及一种微波烧结制备TiB₂-M的金属陶瓷粉末的方法。

背景技术

海洋工程装备材料的发展需要海洋专用材料作为支撑，而海水环境下的摩擦磨损是海洋专用材料的最大挑战之一。海水泵出现的摩擦副泄漏量大、摩擦磨损加剧等问题，既有摩擦副的磨损变形问题又有海水的腐蚀问题，即发生了“力学-电化学”交互作用的“腐蚀磨损”。深海中极端的服役条件对材料的性能提出了更高的要求，需要材料具备硬度适中、韧性高、良好的加工硬化性能、抗拉强度和疲劳极限高、优异的抗腐蚀磨损性能。因此需要一种性能良好的涂层材料去延缓因摩擦对海洋环境装备带来的磨蚀，延长材料的服役性能。传统的金属陶瓷复合涂层，如WC-Co，Cr₃C₂-Ni Cr等虽然具有相对较好的耐磨性，但它们摩擦学性能不够理想，与Fe基材料对磨时摩擦系数较高，不是理想材料，因此寻找一种摩擦系数低的新型耐磨耐腐蚀的材料应用于海洋装备。

TiB₂作为硼化物中最稳定的物质，熔点高（2980℃）、硬度高（3300kgf/mm²）、弹性模量大（550GPa）、具有优良的耐磨擦性能，并且与Fe基和Al基材料的磨擦系数较小。同时，TiB₂的韧性差，烧结性能不佳。在TiB₂中添加金属M相，可以利用金属粘结相的低熔点和良好的韧性等优良性能弥补TiB₂的缺陷。M相的选择取决于M与TiB₂二者的润湿性关系，M可以为Fe、Ni、Co、Ti等润湿性较好的纯金属。

目前制备热喷涂金属陶瓷粉末的主要方法包括包覆法、球磨合金化法、烧结破碎法和团聚烧结法，团聚烧结法是采用传统的常规的气氛烧结环境下进行粉末烧结，传统的常规烧结是在保护性气氛下对金属陶瓷粉末进行烧结，烧结温度高，加热时存在温度梯度，传热效率低，保温时间长达1-2个小时，容易发生局部过热现象，造成晶粒异常，组织不稳定。

传统常规烧结是在保护性气氛下进行烧结，烧结的加热装置属于硅钼棒或者硅碳棒加热，加热时传热效率低，耗时时间长。

经检索，申请号为201210581695.8的一种含硼化物陶瓷的团聚型复合热喷涂粉末，也是基于团聚烧结法来做了进一步的改进，主要的改进只是对于分散剂的种类选择进行了优化。

申请号为201310022751.9的镍和二硼化钛混合料及其在金属基体上制作涂层的方法，是以二硼化钛为硬质相、镍为粘结相，提供了一种新型的表面强化的方法，通过真空烧结的熔覆方法将粉末涂覆在基体表面，耗时长。

申请号为201110419340.4的一种纳米层状结构的二硼化钛/镍涂层及其制备方法，通过磁控溅射技术制备的新型的纳米层状薄膜材料具有良好的韧性，其工艺复杂，真空度要求高，沉积时间长达10个小时。

申请号为200910272345.1的一种WCoB三元硼化物金属陶瓷材料及其制备方法，采用烧结方法制备硬质合金具有较高的耐高温性能，由于Co的大量加入，其耐磨性能差于传统的WC-Co硬质合金。

以上处理方法，有的工艺复杂，耗时时间长，有的方法不适合大型结构件的涂层。因此需要寻找一种更好的工艺方法，尤其是对现有传统的主流工艺进行创新，达到制造出磨损率低、耐腐蚀、成本低廉的性价比高的硬质涂层是非常必要的。

发明内容

本发明的目的针对目前海洋环境的装备的服役环境复杂，磨损、腐蚀等极端服役条件现象严重缩短了海洋关键装备的服役寿命，造成巨大经济损失的现象，提供了一种可用于热喷涂工艺的微波烧结制备松装密度和流动性优良、具有良好的耐磨性能的新型TiB₂-M粉末方法。本发明可以克服传统烧结加热造成的粉末组织性能不稳定问题，实现组织的稳定性，细化晶粒；同时以涂层的形式喷涂在海洋装备表面，降低装备之间的摩擦系数，可以达到提高海洋装备材料的耐磨性，延长海洋装备服役寿命的目的。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，是将TiB₂、Fe或Ni或Co、稀土氧化物进行球磨混合，加入分散剂和粘结剂和水制成料浆，利用高速离心喷雾干燥机干燥粉末，再将干燥后的粉末进行微波烧结，得到金属陶瓷复合粉末。

进一步地，所述TiB₂和Fe或Ni或Co比例为质量比40%~60%:60%~40%，且稀土氧化物加入量为粉末总质量的1%-1.5%；分散剂聚丙烯酸铵为粉末总质量的0.8%-1.2%；粘结剂聚乙二醇为粉末总质量的5%-10%。

进一步地，所述微波烧结加热温度至1000-1200℃，加热功率为1.4-2.0KW，保温功率为0.4KW-0.8KW，保温时间为10min-15min。

进一步地，所述TiB₂和Fe、Ni、Co的粒度为1-3μm，制得的金属陶瓷粉末粒度为15-45μm。

进一步地，所述稀土氧化物为氧化镧。

更进一步地，上述方法包括以下步骤：

（1）先将TiB2粉末与Fe或Ni或Co粉混合，加入氧化镧，同时向球磨罐中加入粉末质量100%-120%的无水乙醇；

（2）球磨8-10小时后在60℃-70℃烘干得到混合均匀的粉末；

（3）将混合均匀的粉末再加入球磨罐中，加入粉末质量的40%-60%的去离子水、分散剂聚丙烯酸铵放入聚氨酯球磨罐中球磨2-3个小时；

（4）加入粘结剂聚乙二醇继续球磨3-4个小时，得到浆料；

（5）将准备好的料浆继续搅拌并经过恒流泵送入高速离心喷雾干燥机中，雾化成型颗粒，筛分出15-45μm的粉末；

（6）将雾化成型的颗粒置于微波加热炉中进行微波烧结处理；

（7）筛分出15-45μmTiB₂-M金属陶瓷粉末。

步骤（5）中所述离心喷雾干燥机的工作参数如下：入口温度为220℃-260℃，出口温度110℃-130℃，雾化盘转速为9000-11000转。

步骤（1）、（2）、（3）、（4）中的球磨介质为不锈钢球、氧化锆球中的一种。

步骤（6）中所述的微波烧结加热，采取辅助加热的方式缩短升温时间，辅助加热的材料为C粉。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，M金属的加入，可以有效改善TiB₂韧性差，烧结性差，熔点高的缺点，利用M金属粘结相的低熔点和良好的韧性等优良性能有效弥补了TiB₂韧性差、熔点高不易喷涂的缺陷，制备后的粉末通过热喷涂等手段可以有效的粘着在基体金属上，可以有效的提高基体材料的耐磨性。

（2）本发明的一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，加入氧化镧、进行微波烧结后，不仅可以细化合金晶粒、消除异常长大的粗晶，可以起到提高合金致密度和改善组织均匀性的作用，使材料的强韧性得到显著提高，制备后的粉末具有优良的松装密度和流动性。

（3）本发明的一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，微波烧结的烧结温度低、加热迅速、保温时间较常规烧结时间大大缩短、烧结过程中不产生污染物，高效节能环保。

（4）本发明的一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，本发明制备的金属陶瓷粉末，在热喷涂后，获得的涂层致密，孔隙率明细降低，显微硬度和耐磨性能明显较传统工艺提高。

附图说明

图1为本发明的一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法的工艺路线图。

图2为本发明的复合粉末的显微结构照片。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1：

一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，TiB₂和Fe、Ni、Co的粒度为1-3μm，均为购买。本发明中，TiB₂、Fe或Ni或Co、稀土氧化物进行球磨混合，TiB₂和M比例为质量比40%~60%:60%~40%，且稀土加入量为粉末总质量的1%-1.5%，分散剂聚丙烯酸铵为粉末总质量的0.8%-1.2%，粘结剂聚乙二醇为粉末总质量的10%-15%。通过这些参数的优化，制得的金属陶瓷粉末流动性好、松装密度高。金属陶瓷粉末的粒度极细，极其容易发生团聚，由于TiB₂和M相的颗粒密度差别较大，因此在前驱液中加入合适比例的阴离子分散剂，其溶于在水中可离解出阴离子根基团，吸附于颗粒表面既能增加颗粒表面所带负电荷量。同时，由于其聚合物的性质，在颗粒表面形成吸附层，阻止颗粒互相靠近，起到空间位阻稳定作用，使得金属陶瓷的前驱液分散、稳定；粘结剂的加入可以调节TiB₂和M相在浆料中的粘度，在烧结之前结合更加紧密结实，有利于粉末成型；稀土的加入不仅可以细化合金晶粒、消除异常长大的粗晶，可以起到提高合金致密度和改善组织均匀性的作用，使材料的强韧性得到显著提高，稀土的加入量一般不宜超过2%，采用1%-1.5%的氧化镧加入量，可以充分发挥稀土对组织的优化作用。

本实施例是通过高速离心喷雾干燥机制备和微波烧结设备来制造TiB2和Ni的复合金属陶瓷粉末来实现的，因此在本实施例中的具体步骤，如图1所示：

（1）取市售的纯度99.9%TiB2粉末400g，纯度99.9%Ni粉600g，质量比为4:6，粒度均为1μm，取氧化镧10g，将三种粉末加入球磨罐中，混合均匀；在球磨之前往球磨罐中加入1000g的无水乙醇；

（2）将三种粉末球磨8小时，球磨后在60℃温度下烘干得到混合均匀的粉末；

（3）将混合均匀的粉末再加入球磨罐中，加入400g的去离子水、8g的分散剂聚丙烯酸铵放入聚氨酯球磨罐中球磨2个小时；

（4）加入50g粘结剂聚乙二醇继续球磨3个小时；

（5）将准备好的料浆继续搅拌并经过恒流泵送入高速离心喷雾干燥机中，入口温度为220℃，出口温度110℃，雾化盘转速为9000转，雾化成型颗粒，筛分出15-45μm的粉末；

（6）将粉末置于微波加热炉中进行微波烧结处理，加热温度至1000℃，加热功率为1.4KW，保温功率为0.4KW，保温时间为10min；

（7）筛分出15-45μm的粉末，测定制备好粉末的流动性和松装密度；

（8）用热喷涂的方法将制备好的粉末喷涂在钢基材上，测定喷涂好涂层的孔隙率。

步骤（1）、（2）、（3）、（4）中的球磨介质为不锈钢球。

步骤（6）中所述的加热温度至1000℃，采取辅助加热的方式缩短升温时间，辅助加热的材料为C粉。

制备好的金属陶瓷粉末的形貌如图2所示。从图中可以看出，本发明制备的金属陶瓷颗粒球形度高，因此具有优良的性能。

尤其值得说明的是，传统的常规烧结，从预热升温到保温经历的时间冗长，以10℃/min的加热速度来看，升温至1000℃，便需100min，保温90min。而微波烧结来看，升温至1000℃，在辅助加热的条件下，仅需20min，保温时间也仅为10min，因此仅从时间上看，就体现了微波烧结的高效，省时。

粉末颗粒的形状对粉末的工艺性能，如松装密度、流动性及压制性等有很大影响。而制造粉末烧结材料的原料粉末的粒度、形状及松装密度等性能最终决定了粉末烧结多孔材料的孔径、渗透性、孔隙度等最为主要的特性。因此，用于热喷涂的粉末的性能指标主要的参考粉末的流动性和松装密度，粉末的流动性好，在热喷涂时粉末会扩散均匀。粉末的松装密度除了取决于原料的密度外，很大程度上与粉末颗粒的形状、粒度与粒度分布、粉末颗粒的表面状态等因素相关。形状不规则的粉末比形状规则的粉末松装密度小；粉末的形状越不规则，松装密度越低。因为粉末越不规则，其比表面越大，颗粒间的摩擦力越大，因而松装密度较低；同样，粉末颗粒越小其比表面越大，所以较细的粉末松装密度就越低，但是细粉末会提高组织的致密性，因此需要寻找一种最优的组合方案，本发明利用团聚方法制备的新型粉末球形度高，粉末流动性好；粒度为15-45μm的粉末，可以显著的降低涂层孔隙率，提高涂层致密性。

实施例2：

本实施例是通过高速离心喷雾干燥机制备和微波烧结设备来制造TiB2和Co的复合金属陶瓷粉末来实现的，因此在本实施例中的具体步骤：

（1）取市售的纯度99.9%TiB2粉末400g，纯度99.9%Co粉400g，质量比为6:4，粒度均为3μm，取氧化镧15g，将三种粉末加入球磨罐中，混合均匀；在球磨之前往球磨罐中加入1200g的无水乙醇；

（2）将三种粉末球磨10小时，球磨后在70℃温度下烘干得到混合均匀的粉末；

（3）将混合均匀的粉末再加入球磨罐中，加入600g的去离子水、12g的分散剂聚丙烯酸铵放入聚氨酯球磨罐中球磨3个小时；

（4）加入75g粘结剂聚乙二醇继续球磨4个小时；

（5）将准备好的料浆继续搅拌并经过恒流泵送入高速离心喷雾干燥机中，入口温度为280℃，出口温度130℃，雾化盘转速为11000转，雾化成型颗粒，筛分出15-45μm的粉末；

（6）将粉末置于微波加热炉中进行微波烧结处理，加热温度至1200℃，加热功率为2.0KW，保温时间为15min；

（8）用热喷涂的方法将制备好的粉末喷涂在铝基材上，测定喷涂好涂层的孔隙率。

步骤（1）、（2）、（3）、（4）中的球磨介质为氧化锆球。

步骤（6）中所述的加热温度至1200℃，采取辅助加热的方式缩短升温时间，辅助加热的材料为C粉。

实施例3：

本实施例是通过高速离心喷雾干燥机制备和微波烧结设备来制造TiB2和Fe的复合金属陶瓷粉末来实现的，因此在本实施例中的具体步骤：

（1）取市售的纯度99.9%TiB2粉末500g，纯度99.9%Fe粉500g，质量比为5:5，粒度均为2μm，取氧化镧12.5g，将三种粉末加入球磨罐中，混合均匀；在球磨之前往球磨罐中加入1100g的无水乙醇；

（2）将三种粉末球磨9小时，球磨后在65℃温度下烘干得到混合均匀的粉末；

（3）将混合均匀的粉末再加入球磨罐中，加入500g的去离子水、10g的分散剂聚丙烯酸铵放入聚氨酯球磨罐中球磨2.5个小时；

（4）加入75g粘结剂聚乙二醇继续球磨3.5个小时；

（5）将准备好的料浆继续搅拌并经过恒流泵送入高速离心喷雾干燥机中，入口温度为245℃，出口温度120℃，雾化盘转速为10000转，雾化成型颗粒，筛分出15-45μm的粉末；

（6）将粉末置于微波加热炉中进行微波烧结处理，加热温度至1100℃，加热功率为1.7KW，保温时间为10min；

步骤（1）、（2）、（3）、（4）中的球磨介质为不锈钢球。

步骤（6）中所述的加热温度至1100℃，采取辅助加热的方式缩短升温时间，辅助加热的材料为C粉。

表1 粉末及涂层的性能

以上所述仅为本发明中的几个实施例，并不限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：将TiB₂、Fe或Ni或Co、稀土氧化物进行球磨混合，加入分散剂和粘结剂和水制成料浆，利用高速离心喷雾干燥机干燥粉末，再将干燥后的粉末进行微波烧结，得到金属陶瓷复合粉末。

2.根据权利要求1所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：所述TiB₂和Fe或Ni或Co的质量比为40%~60%:60%~40%，且稀土氧化物加入量为粉末总质量的1%-1.5%，分散剂聚丙烯酸铵为粉末总质量的0.8%-1.2%，粘结剂聚乙二醇为粉末总质量的5%-10%。

3.根据权利要求1所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：所述微波烧结加热温度至1000℃-1200℃，加热功率为1.4-2.0KW，保温功率为0.4KW-0.8KW，保温时间为10min-15min。

4.根据权利要求1所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：所述TiB₂、Fe、Ni、Co的粒度为1μm -3μm，制得的金属陶瓷粉末粒度为15μm -45μm。

5.根据权利要求1或2所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：所述稀土氧化物为氧化镧。

6.根据权利要求1所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

（2）球磨8-10小时后在60℃-70℃烘干得到混合均匀的粉末；

（4）加入粘结剂聚乙二醇继续球磨3-4个小时，得到浆料；

（7）筛分出15-45μmTiB₂-M金属陶瓷粉末。

7.根据权利要求1或6所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：步骤（5）中所述离心喷雾干燥机的工作参数如下：入口温度为220℃-260℃，出口温度为110℃-130℃，雾化盘转速为9000-11000转。

8.根据权利要求6所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：步骤（1）、（2）、（3）、（4）中的球磨介质为不锈钢球、氧化锆球中一种。

9.根据权利要求6所述的微波烧结制备TiB₂-M金属陶瓷粉末的方法，其特征在于：步骤（6）中所述的微波烧结加热，采取辅助加热的方式缩短升温时间，辅助加热的材料为C粉。