CN109778103A - 一种难熔金属表面抗烧蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种难熔金属表面抗烧蚀涂层及其制备方法，属于表面工程技术领域。所述方法包括：将钨粉和稀土碳化物粉末混合，喷雾造粒；将造粒得到的粉体经等离子球化后制成适包覆型粉体；采用可控气氛等离子喷涂工艺将所述包覆型粉体喷涂在难熔金属表面，得到抗烧蚀涂层。本发明提供的涂层耐受温度可达3000℃以上，能够满足新型武器型号技术指标的要求。

Description

一种难熔金属表面抗烧蚀涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种难熔金属表面抗烧蚀涂层及其制备方法。
背景技术
钼及其合金具有优异的高温力学性能、低的热膨胀系数和高的导电热系数，常用作高温结构材料和功能材料，是重要战略意义的稀有金属之一，现已广泛应用于航天、航空、核工业等诸多领域。但钼及钼合金在高温有氧环境中易氧化，当温度低于400℃时钼合金氧化速率很慢，合金表面生成不易挥发的MoO2；温度在400-750℃时，氧化增重迅速加快，合金表面生成易挥发的MoO3；温度高于750℃时，MoO3挥发使增重急剧下降，质量损失严重，因此钼合金的高温氧化问题限制其作为耐热结构材料应用的可能性。
目前较理想的解决方法是在钼基材表面制备抗氧化涂层，使合金抗氧化性能及使用温度提高。金属钨具有非常高的熔点、沸点，极高的强度、硬度，以及很小的电子逸出功及很好的化学稳定性，基体材料表面涂镀金属钨及钨合金涂层后可提高材料的耐磨、耐蚀和热屏蔽性能，因而广泛用于固体火箭发动机喷管喉衬、飞行器舵翼面等各部件。
通常通过离子喷涂、气相沉积、熔盐电镀等方法在钼基合金表面制备金属钨涂层，金属钨涂层的耐受温度通常在2000℃以内，随着新型武器型号技术指标的不断提高，现有金属钨涂层体系已无法满足要求。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种难熔金属表面抗烧蚀涂层及其制备方法，通过在钨粉中添加稀土碳化物粉末，经等离子球化形成固熔强化的钨合金粉体，该合金粉体相比纯钨或其机械混合物，熔点、高温塑性、高温抗蠕变等物理性能均有大幅提升，通过可控气氛等离子喷涂工艺实现对该合金粉体的喷涂，形成抗烧蚀涂层，该涂层耐受温度可达3000℃以上，能够满足新型武器型号技术指标的要求。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钨粉和稀土碳化物粉末混合，喷雾造粒；
(2)将步骤(1)造粒得到的粉体经等离子球化后制成适包覆型粉体；
(3)采用可控气氛等离子喷涂工艺将所述包覆型粉体喷涂在难熔金属表面，得到抗烧蚀涂层。
在一可选实施例中，步骤(1)所述的钨粉和稀土碳化物粉末的粒径为1-10μm。
在一可选实施例中，步骤(1)喷雾造粒后粉体粒度为10-80μm。
在一可选实施例中，步骤(1)中所述的稀土碳化物粉末由碳化锆粉与碳化铪粉按照质量比为2:1-1.5的比例混合而成，所述的碳化锆粉与碳化铪粉的质量之和为所述钨粉、碳化锆粉与碳化铪粉总质量的5％-8％。
在一可选实施例中，步骤(1)中所述混合，先将所述碳化锆粉和碳化铪粉混合，然后加入所述钨粉混合。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的等离子球化工艺参数包括：
主气流量为100-120scfh、辅气流量为10-20scfh、电流为800-950A、送粉量为60-80g/min。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的包覆型粉体粒度范围为10-50μm。
在一可选实施例中，步骤(3)所述的可控气氛等离子喷涂工艺包括：
喷涂电流为2400-2600A、主气流量为60-65L/min、辅气流量为15-20L/min、工作室压力为150-300Pa，喷距为500-650mm。
在一可选实施例中，步骤(3)所述的抗烧蚀涂层厚度为0.2-2mm。
上述方法制备的难熔金属表面抗烧蚀涂层。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明实施例提供的难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，通过在钨粉中添加稀土碳化物粉末，经等离子球化形成固熔强化的钨合金粉体，该合金粉体相比纯钨或其机械混合物，熔点、高温塑性、高温抗蠕变等物理性能均有大幅提升，通过可控气氛等离子喷涂工艺实现对该合金粉体的喷涂，形成抗烧蚀涂层；该涂层耐受温度可达3000℃以上，能够满足新型武器型号技术指标的要求；
(2)当原料粉末粒度为1-10μm时，既有利于混合均匀，又能保证在后续喷雾造粒过程中形成便于等离子球化的混合粉体；
(3)当喷雾造粒后粉体粒度为10-80μm时，在等离子球化过程中，易于形成适用于可控气氛等离子喷涂的包覆型粉体，确保涂层性能；
(4)本发明实施例提供的原料粉末的构成，既保证了碳化锆粉和碳化铪对金属钨的晶间强化作用，提升涂层耐高温性能，又有效提高了涂层高温抗蠕变性能；
(5)本发明实施例提供的等离子球化工艺参数，既能保证钨粉完全熔融包覆碳化锆、碳化铪粉体，又可使三者充分发生固熔反应；
(6)本发明实施例提供的可控气氛等离子喷涂工艺，可有效解决粉体高温氧化问题；采用大功率等离子喷涂工艺(喷涂功率大于120KW，普通等离子喷涂功率约40KW)，在超低气压下喷涂制备涂层，可大幅提高涂层与基材结合力(制备的涂层结合强度≥45MPa)，降低涂层孔隙率。
附图说明
图1实施例1包覆型粉体表面形貌扫描电镜照片；
图2实施例1涂层截面金相照片。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将钨粉、稀土碳化物粉末混合，喷雾造粒；
具体地，本发明实施例中，所述难熔金属可以为钼等难熔金属，也可以是钼合金、镍基高温合金、钛合金等难熔合金；所述的稀土碳化物粉末可以为碳化锆粉、碳化铪粉、碳化钽等；其中，优选通过球磨混合；
步骤(2)：将步骤(1)造粒得到的粉体经等离子球化后制成适包覆型粉体；
步骤(3)：采用可控气氛等离子喷涂工艺将所述包覆型粉体喷涂在难熔金属表面，得到抗烧蚀涂层。
本发明实施例提供的难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，通过在钨粉中添加稀土碳化物粉末，经等离子球化形成固熔强化的钨合金粉体，该合金粉体相比纯钨或其机械混合物，熔点、高温塑性、高温抗蠕变等物理性能均有大幅提升，通过可控气氛等离子喷涂工艺实现对该合金粉体的喷涂，形成抗烧蚀涂层；该涂层耐受温度可达3000℃以上，能够满足新型武器型号技术指标的要求。
在一可选实施例中，步骤(1)所述的钨粉、稀土碳化物粉末的粒径为1-10μm。当原料粉末粒度为1-10μm时，既有利于混合均匀，又能保证在后续喷雾造粒过程中形成便于等离子球化的混合粉体。
在一可选实施例中，步骤(1)喷雾造粒后粉体粒度为10-80μm。当喷雾造粒后粉体粒度为10-80μm时，在等离子球化过程中，易于形成适用于可控气氛等离子喷涂的包覆型粉体，确保涂层性能。
在一可选实施例中，步骤(1)中所述的稀土碳化物粉末由碳化锆粉与碳化铪粉按照质量比为2:1-1.5混合而得，所述的碳化锆粉与碳化铪粉的质量之和为所述钨粉、碳化锆粉与碳化铪粉总质量的5％-8％。当原料粉末为上述构成时，既保证了碳化锆粉和碳化铪对金属钨的晶间强化作用，提升涂层耐高温性能，又有效提高了涂层高温抗蠕变性能。
在一可选实施例中，步骤(1)中所述混合，先将所述碳化锆粉和碳化铪粉混合，然后加入所述钨粉混合。通过先将碳化锆粉和碳化铪粉混合再加入钨粉，能够确保钨粉包覆效果最优。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的等离子球化工艺参数包括：主气流量为100-120scfh、辅气流量为10-20scfh、电流为800-950A、送粉量为60-80g/min。在该条件下，既能保证钨粉完全熔融包覆碳化锆、碳化铪粉体，又可使三者充分发生固熔反应。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的包覆型粉体粒度范围为10-50μm，以适用于可控气氛等离子喷涂
在一可选实施例中，步骤(3)所述的可控气氛等离子喷涂工艺包括：喷涂电流为2400-2600A、主气流量为60-65L/min、辅气流量为15-20L/min、工作室压力为150-300Pa，喷距为500-650mm。该工艺参数可有效解决粉体高温氧化问题；采用大功率等离子喷涂工艺(喷涂功率大于120KW，普通等离子喷涂功率约40KW)，在超低气压下喷涂制备涂层，可大幅提高涂层与基材结合力(制备的涂层结合强度≥45MPa)，降低涂层孔隙率。
在一可选实施例中，步骤(3)所述的抗烧蚀涂层厚度为0.2-2mm，涂层性能最优。
本发明实施例还提供了上述方法制备的难熔金属表面抗烧蚀涂层。
以下为本发明的具体实施例，各实施例所用原料均为市售产品。
实施例1
将粒径为1-10μm的碳化锆粉、碳化铪粉按质量比2:1混合，然后加入钨粉，碳化锆和碳化铪混合物的质量为加入钨粉后总质量的8％，最后将三种粉混合物球磨混合喷雾造粒，造粒后混合物粉体粒度为10-80μm；
将造粒后混合物粉体经等离子球化，制备出适用于低压等离子喷涂用包覆型粉体，粒度范围为10-60μm，其中，等离子球化主气(AR)流量为120scfh、辅气(H2)流量为20scfh、电流为950A、送粉量为80g/min。
采用低压等离子喷涂工艺制备涂层，具体喷涂工艺参数为：喷涂电流2600A、主气(Ar)流量65L/min、辅气(He)流量20L/min、工作室压力150-300Pa，喷距650mm，钼合金试片尺寸规格为100×100×10mm，涂层厚度2mm，涂层结合强度46.8MPa，涂层在3300℃下烧蚀10S后仍完整不失效。
附图1为经等离子球化后得到的包覆型粉体表面形貌扫描电镜照片。附图2为实施例制备的涂层截面金相照。
实施例2
将粒径为1-10μm的碳化锆粉、碳化铪粉按质量比2:1.5混合，然后加入钨粉，所述碳化锆、碳化铪混合物占加入钨粉后总质量含量5％，最后将三种粉混合物球磨混合喷雾造粒，造粒后混合物粉体粒度为10-80μm；
将造粒后混合物粉体经等离子球化，制备出适用于低压等离子喷涂用包覆型粉体，粒度范围为10-60μm，其中，等离子球化主气(AR)流量为100scfh、辅气(H2)流量为10scfh、电流为800A、送粉量为60g/min；
采用低压等离子喷涂工艺制备涂层，具体喷涂工艺参数为：喷涂电流2400A、主气(Ar)流量60L/min、辅气(He)流量15L/min、工作室压力150-300Pa，喷距500mm，钼合金试片尺寸规格为100×100×10mm，涂层厚度0.2mm，涂层结合强度55.1MPa，涂层在3300℃下烧蚀10S后仍完整不失效。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钨粉和稀土碳化物粉末混合，喷雾造粒；
(2)将步骤(1)造粒得到的粉体经等离子球化后制成适包覆型粉体；
(3)采用可控气氛等离子喷涂工艺将所述包覆型粉体喷涂在难熔金属表面，得到抗烧蚀涂层。
2.根据权利要求1所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的钨粉和稀土碳化物粉末的粒径为1-10μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)喷雾造粒后粉体粒度为10-80μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的稀土碳化物粉末由碳化锆粉与碳化铪粉按照质量比为2:1-1.5的比例混合而成，所述的碳化锆粉与碳化铪粉的质量之和为所述钨粉、碳化锆粉与碳化铪粉总质量的5％-8％。
5.根据权利要求4所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述混合，先将所述碳化锆粉和碳化铪粉混合，然后加入所述钨粉混合。
6.根据权利要求4所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的等离子球化工艺参数包括：
主气流量为100-120scfh、辅气流量为10-20scfh、电流为800-950A、送粉量为60-80g/min。
7.根据权利要求6所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的包覆型粉体粒度范围为10-50μm。
8.根据权利要求7所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的可控气氛等离子喷涂工艺包括：
喷涂电流为2400-2600A、主气流量为60-65L/min、辅气流量为15-20L/min、工作室压力为150-300Pa，喷距为500-650mm。
9.根据权利要求8所述的一种难熔金属表面抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的抗烧蚀涂层厚度为0.2-2mm。
10.由权利要求1-9任一项所述方法制备的难熔金属表面抗烧蚀涂层。
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