CN110257679A - 一种钼基合金涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钼基合金涂层的制备方法，属于合金涂层制备领域。它包括以下步骤：一、取铁基、金属箔并进行预处理，使二者达到使用要求；二、取石墨模具，所述石墨模具包括上压头、下压头和中空的阴模；将铁基、金属箔和含钼金属粉末依次放入阴模中，并用上压头和下压头压紧；三、将石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，然后通入电流，对铁基与含钼金属粉末进行烧结粘接。本发明能够有效地解决在低熔点基体上制备高温涂层时，涂层和基体之间的热膨胀系数不一致的问题，结合强度较高。

Description

一种钼基合金涂层的制备方法
技术领域
本发明属于合金涂层制备领域，更具体地说，涉及一种钼基合金涂层的制备方法。
背景技术
由于钼具有熔点高、高温性能好、导电导热及抗热震性能优、抗磨损性能和抗腐蚀性能强等优点，广泛应用于冶金、机械、石油、化工、电子和核工业等诸多领域。但由于其低温脆性和高温抗氧化能力差等原因，限制了其作为结构材料的使用范围。为了解决这个问题，人们通常会将其合金化来提高其性能。
钼合金是以钼为基体，加入其他元素而构成的有色合金，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，是非常具有应用前景的难熔金属材料之一，被广泛用作高温结构材料和功能材料。
如中国专利申请号为：CN201810142431.X，公开日为：2018年7月27日的专利文献，公开了一种二硅化钼复合涂层及其制备方法，利用等离子弧喷焊技术，以B、Al、Cr合金元素改性的二硅化钼复合粉末或ZrB2、SiB6、LaB6颗粒增强的二硅化钼复合粉末为喷焊粉末，在金属钼、铌、钽及其合金材料表面制备0.5～6mm厚的二硅化钼复合涂层。该发明一种二硅化钼复合涂层的制备方法制备的二硅化钼复合涂层在900℃～1700℃的大气气氛中具有优异的高温抗氧化性能，为难熔金属零部件提供了长寿命的有效防护。该发明提供的工序简单、涂层成分设计灵活、生产效率高、成本适中，具有推广应用价值。
又如中国专利申请号为：CN201810073849.X，公开日为：2018年8月14日的专利文献，公开了一种固体自润滑钼涂层及其制备方法，属于固体自润滑涂层技术领域。该发明采用等离子弧喷焊技术，以球形金属纯钼粉为喷焊金属，在铁基工件表面熔敷1-5mm的金属钼涂层。所制备钼涂层在大气气氛下，从室温到800℃的宽温域范围内具有优良的固体自润滑效应，可显著降低高温、高速运转中的机械零部件的磨损，延长其使用寿命。该发明发展了一种新型固体自润滑涂层，可明显降低能源消耗与材料损失，且制备工艺简单、涂层成分可控、成本低廉，具有重要的工业应用前景。
上述两个方案均是制备含钼涂层，但是其均是通过等离子弧喷焊技术将含钼粉末在基体上熔敷含钼涂层。而近年来，发展起来了一种新的快速烧结技术，即放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)。该技术将等离子活化、热压、电阻加热融为一体，具有操作简单、烧结温度低、升温速度快、烧结时间短、安全可靠、节能环保等特点。该技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，对于制备优质高效、低耗低成本的材料具有重要意义，在纳米材料、功能材料、复合材料等的制备中显示了极大的优越性，现已广泛用于硬质金属、特种陶瓷、纳米材料、非晶块材、复合材料、功能梯度材料等一系列新型材料的制备。目前，国内外正在尝试将SPS技术运用到涂层制备上，因为SPS技术在涂层材料制备上的突出优点包括以下几个方面：(1)可以应用于复杂形状的试样，在模具中填充耐高温的粉体，将试样埋入进行烧结，可以得到复杂的外形；(2)通过压力、压缩量的控制以及烧结时间、烧结温度的控制可以得到合理的孔隙率；(3)成分梯度可以方便得到。这是其它方法诸如激光熔覆、化学沉积和上述等离子弧喷焊等所难以实现的。
然而，该技术在涂层制备中，很难在低熔点基体上制备耐高温涂层，当对金属粉末和基体进行烧结粘接时，如果温度过高则会导致低熔点基体融化，影响母材质量和结合强度，如果温度过低又会导致涂层的烧结程度很低，涂层很薄，根本无法满足使用要求。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有的运用SPS技术进行涂层制备时，难以在低熔点基体上制备耐高温涂层，涂层和基体之间的热膨胀系数不一致，导致结合强度不高甚至难以结合的问题，本发明提供一种钼基合金涂层的制备方法，能够有效地解决在低熔点基体上制备高温涂层时，涂层和基体之间的热膨胀系数不一致的问题，结合强度较高。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种钼基合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
一、取铁基、金属箔并进行预处理，使二者达到使用要求，
二、取石墨模具，所述石墨模具包括上压头、下压头和中空的阴模；将烧结材料按铁基、金属箔和含钼金属粉末的顺序依次放入阴模中，并用上压头和下压头压紧；
三、将石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，然后通入电流，对铁基与含钼金属粉末进行烧结粘接。
进一步地，所述步骤二中，烧结材料放入阴模中的过程为以下三种中的任意一种：
①将铁基、镍箔和含钼金属粉末依次放入阴模中；
②将铁基、镍箔、铜箔、镍箔和含钼金属粉末依次放入阴模中；
③将铁基、铜箔、铌箔、钛箔和含钼金属粉末依次放入阴模中。
进一步地，所述步骤三中，烧结粘结工艺的具体过程为：①以300℃/min的升温速率加热至600℃后，以100℃/min的升温速率加热至1000～1100℃；②保温10～15min；③以100℃/min的降温速率降至600℃后，在炉中自然冷却至室温，冷却后制得钼基合金涂层。
进一步地，所述含钼金属粉末中各组分的质量百分比为5％～30％的Cu、0.4％～0.6％的TiH2、0.07％～0.16％的ZrH2和0.01％～0.08％的C，其余为Mo。
进一步地，烧结粘接时，上压头和下压头的轴向压力为40～60MPa。
进一步地，所述含钼金属粉末的粒径为9-11um。
进一步地，所述步骤三中，在通入直流脉冲电流前，在炉膛内抽真空至压强不大于10Pa。
进一步地，所述步骤一中，对铁基的预处理过程为：依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸分别对铁基的待粘接面进行预磨，预磨完后进行抛光并在酒精中进行超声波清洗。
进一步地，所述步骤一中，对金属箔的预处理过程为：金属箔两面依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸分别进行预磨，预磨完后进行抛光并在酒精中进行超声波清洗。
进一步地，所述步骤三中的放电等离子烧结系统采用上海晨华科技股份有限公司生产的SPS-20T-10-Ⅲ型放电等离子烧结系统。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明一种钼基合金涂层的制备方法，采用SPS技术进行钼基合金涂层的制备，在铁基和含钼金属粉末之间加入金属箔作为中间过渡层，金属箔在金属粉末和基体之间，烧结过程中通过各金属元素之间原子扩散的原理，在中间层的扩散区形成冶金结合，从而解决了涂层与基体之间的热膨胀系数不一致问题，使得含钼金属粉末能够在适当的温度下与铁基很好地结合，且结合强度较高；
(2)本发明一种钼基合金涂层的制备方法，可以在模具中放入形状较为复杂的母材，再填充金属粉末用于制备涂层，烧结得到成品，通过这种方式，相比较其余的如激光熔覆、化学沉积等方式，能够更方便地在复杂形状的母材上制备涂层；
(3)本发明一种钼基合金涂层的制备方法，通过在钼中加入微量合金元素Ti、Zr和C，产生Mo-Ti、Mo-Zr固溶体和TiC、ZrC的弥散质点，在此过程中，钼基体得到了Mo-Ti、Mo-Zr固溶体的固溶强化和TiC、ZrC质点的弥散强化，提高了钼基合金涂层的硬度，且添加上述合金元素，也降低了金属粉末的烧结温度；
(4)本发明一种钼基合金涂层的制备方法，在钼中还添加有Cu元素，而由于Mo、Cu两者熔点相差大，元素间互不相溶的特性，Mo和Cu组成的复合材料在性能上会呈现出这两种金属的本征物理特性，其性能随成分变化而变化，因此，该材料在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，同时，高温下氧化物MoO3与MoCuO4相的生成使得钼基合金涂层的摩擦系数大幅下降，降低涂层在后续使用中的受损情况；
(5)本发明一种钼基合金涂层的制备方法，在烧结粘接前，先将炉内抽真空至不高于10Pa，一方面可以防止烧结制品在烧结过程中被氧化，另一方面能够促进烧结过程产生的气体的排除，促进烧结致密化过程的进行；
(6)本发明一种钼基合金涂层的制备方法，对铁基和金属箔依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸进行预磨，使铁基和金属箔的表面变得平整，且先使用#200和#400的金相砂纸对基体和金属箔的表面进行快速打磨，接着再使用#600和#800的金相砂纸对基体和金属箔的表面进行精细打磨，打磨效率高，预磨效果极佳，之后在酒精中使用超声波清洗，能够将基体和金属箔表面的碎屑等清洗干净，清洗效果极佳。
附图说明
图1是烧结时各个元素之间的原子扩散示意图；
图2是烧结后的基体表面的宏观形态图，中间一层为镍箔烧结形成的中间层。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
实施例
近年来，发展起来了一种新的快速烧结技术，即放电等离子烧结(Spark PlasmaSintering，SPS)。该技术将等离子活化、热压、电阻加热融为一体，具有操作简单、烧结温度低、升温速度快、烧结时间短、安全可靠、节能环保等特点。目前，国内外正在尝试将SPS技术运用到涂层制备上，因为SPS技术在涂层材料制备上的突出优点包括以下几个方面：(1)可以应用于复杂形状的试样，在模具中填充耐高温的粉体，将试样埋入进行烧结，可以得到复杂的外形；(2)通过压力、压缩量的控制以及烧结时间、烧结温度的控制可以得到合理的孔隙率；(3)成分梯度可以方便得到。这是其它方法诸如激光熔覆、化学沉积和上述等离子弧喷焊等所难以实现的。
但是，将SPS技术用于在低熔点基体上制备高温合金涂层时，依靠现有技术仍然不能或者很难做到涂层的制备。当将高熔点金属粉末和低熔点基体放在石墨模具内，再将石墨模具置于放电等离子系统中进行烧结时，如果温度过低，则金属粉末烧结程度较差，温度过高时，则金属粉末虽然能够烧结地较好，但低熔点基体则可能会融化，另外，基体和金属粉末之间的热膨胀系数不一致，使得二者很难结合在一起，制备涂层的成功率极低。
本实施例的一种钼基合金涂层的制备方法，针对上述问题，提供了解决措施，具体步骤如下：
一、预处理
准备金属粉末、金属箔、需要涂层的铁基并进行预处理，本实施例中，铁基和镍箔均是经商业渠道够得，铁基的种类可以采用现有的常见铁及材料，本发明选取304不锈钢作为实验基体，其形状可以根据实际需求进行选择，金属箔的纯度需不低于99％，厚度需要根据实际的金属粉末的量和基体的体积等确定，在后面的具体实施例中给出具体数值；金属粉末的粒径处于9um～11um之间。
对铁基的预处理的具体过程为：依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸分别对铁基的待粘接面，即待涂层的一面进行预磨，预磨完后进行抛光并在酒精中进行超声波清洗。
对金属箔的预处理过程为：金属箔两面依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸分别进行预磨，预磨完后进行抛光并在酒精中进行超声波清洗。
先使用#200和#400的金相砂纸对基体和金属箔的表面进行快速打磨，接着再使用#600和#800的金相砂纸对基体和金属箔的表面进行精细打磨，在保证打磨效率的同时，提高了预磨效果，之后在酒精中使用超声波清洗，能够将基体和金属箔表面的碎屑等清洗干净，清洗效果极佳。
对金属粉末的预处理的具体过程为：将金属粉末配料后，在机械研磨装置中进行机械合金化研磨混合，防止混入杂质，研磨时加入少许乙醇防止粉末粘壁。
二、制模
准备石墨模具，包括上压头、下压头和具有内孔的中空阴模，本发明中，上压头和下压头的结构相同，为直径20mm，高35mm的圆柱状结构，石墨阴模为外径40mm，内径20mm，高50mm的套筒状中空结构，石墨阴模在中间高度位置有一直径4mm，深度5mm的测温孔。需要说明的是，其体积和形状需根据铁基的体积和形状来选择，本发明只是根据实验选取的铁基体积和形状而进行的选择。
将下压头先塞入阴模内孔中一部分，然后将铁基、金属箔和待烧结的金属粉末依次放入阴模内孔中的下压头上，再将上压头从阴模上方塞入内孔中，通过上压头和下压头将不锈钢基体、金属箔和金属粉末压紧，需要注意的是，需要保持金属箔处于铁基和金属粉末之间。
本实施例中，金属粉末中各组分的质量百分比为5％～30％的Cu、0.4％～0.6％的TiH2、0.07％～0.16％的ZrH2和0.01％～0.08％的C，其余为Mo。由于单独的Ti元素和Zr元素较难提取，因此采用TiH2和ZrH2代替，H元素的质量较小，因此对于质量比例的影响可以忽略不计。
三、烧结
将步骤二中制得的待烧结模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至炉膛内的压强不大于10Pa，从而一方面防止烧结时不锈钢基体在烧结过程中被氧化，另一方面能够促进烧结过程产生的气体的排除，促进烧结致密化过程的进行。接着，通入电流对铁基与含钼金属粉末进行烧结粘接。本发明的放电等离子烧结系统采用上海晨华科技股份有限公司生产的SPS-20T-10-Ⅲ型放电等离子烧结系统，其电流类型为直流脉冲电流。
具体的烧结工艺过程为：①调整烧结系统，炉膛先以300℃/min的升温速率加热至600℃后，再以100℃/min的升温速率加热至烧结粘接温度；②当达到烧结粘接温度后，保温10～15min；③调整烧结系统，使炉膛以100℃/min的降温速率降至600℃后，在炉中自然冷却至室温，冷却后即制得钼基合金涂层。
上述钼基合金涂层的化学成分及其质量百分比为：Cu：5-30％，Zr：0.07-0.16％，Ti：0.4-0.6％，C：0.01-0.08％，余量为Mo和不可避免的杂质。
其中，Mo为合金涂层的主要成分，其在涂层制备中起到关键性的作用，通过Mo与金属中间层的原子扩散形成固溶体的原理，才能降低使合金涂层在铁基上烧结充分的温度，且合金涂层与铁基的结合强度也因此大大提高，其具体原理在后面的实施例中结合具体的制作工艺进行详细叙述。
微量合金元素Ti、Zr和C添加在Mo中后，会在烧结时产生Mo-Ti、Mo-Zr固溶体和TiC、ZrC的弥散质点，在此过程中，Mo基体得到了Mo-Ti、Mo-Zr固溶体的固溶强化和TiC、ZrC质点的弥散强化，提高了钼基合金涂层的硬度，且添加上述合金元素，也可以降低金属粉末的烧结温度。
Cu和Mo由于熔点相差大，元素间互不相溶的特性，Mo和Cu组成的复合材料为一种典型的假合金。而假合金的优点是可以使Mo-Cu复合材料在性能上呈现出这两种金属的本征物理特性，其性能随成分变化而变化。因此，Cu的加入降低了合金涂层烧结的温度，并使得制得的涂层在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，使用效果较佳，同时，高温下氧化物MoO3与MoCuO4相的生成使得钼基合金涂层的摩擦系数大幅下降，降低了涂层在后续使用中的受损情况。
需要说明的是，发明人在实验过程中也曾尝试过其余的合金涂层成分，但最终的烧结结果均不理想，且该成分的合金涂层的成分也需配合本发明独特的金属中间层和烧结工艺，才可实现在较低温度下的耐高温合金涂层的制备。
当金属中间层为镍金属层时，金属箔为镍箔，其具体烧结过程和原理是这样的。当炉膛内的温度达到烧结温度时，镍箔处在金属粉末和铁基之间，烧结过程中，镍箔的一边Ni与Fe之间形成无限固溶体，另一边Ni与Mo形成有限固溶体。表面上来看，即镍箔融化在铁基上，形成一层中间层，而金属粉末再融在镍箔形成的中间层上，通过Ni与Fe之间、Ni与Mo之间的特性，使含Mo金属粉末通过镍在铁基上形成涂层。从内部结构组织来看，如图1所示，Fe、Ni和Mo在高温下发生原子扩散，在中间层的扩散区形成冶金结合，从而解决了涂层与基体之间的热膨胀系数不一致问题，使得含钼金属粉末能够在较低的温度下与铁基很好地结合，且结合强度较高。
当采用镍、铜和镍的复合金属层时，金属箔在铁基上的放置顺序依次为镍箔、铜箔和镍箔，其原子扩散的理论与上述原理相同，也是通过Ni与Fe之间形成无限固溶体，Ni与Mo形成有限固溶体，同时中间添加Cu箔，Ni与Cu之间也形成铜镍固溶体，即Ni-Cu-Ni三层复合过渡层，从而在中间层的扩散区形成冶金结合。通过在两层镍箔之间加入Cu箔，从而形成软性复合中间层，能够有效地缓冲烧结过程中的残余应力，提高烧结的涂层和基体结合处的质量。
当采用铜、铌和钛的复合金属层时，金属箔在铁基上的放置顺序依次为铜箔、铌箔和钛箔，通过Nb与Ti之间形成无限固溶体，Ti与Mo形成有限固溶体，在中间层的扩散区形成冶金结合。而在金属箔与铁基的粘接处加入铜箔，通过Cu的延展性较好的性能，使得在与铁基反应时不会生成脆性金属间化合物，提高结合强度，Cu也因为这个作用常被用于钢的连接，而加入Cu加强钢的连接属于现有技术，在此不做描述。
发明人在实验时，先是不采用三种金属箔作为中间层，直接对金属粉末和铁基进行烧结涂层制备，然而，取的烧结粘接温度过高时，铁基会发生部分软化变形甚至是融化，发生再结晶现象，影响质量，而温度过低时，金属粉末的烧结程度则很低，很难形成能够达到使用求的涂层。因此，发明人思考是否可以通过其他方式完成烧结。最终经过大量实验发现，当通过加入金属箔作为中间过渡层时，通过上述各金属原子之间的特性，只需令烧结粘接温度处于1000～1100℃之间，含钼金属粉末能够很好地烧结结合在铁基上，结合强度较高，且熔点相对较低的铁基也不会在这个温度范围内融化变形，避免产生再结晶现象。而现有的钼铜合金涂层进行烧结制备时，其温度一般在1400～1600℃，对于一些较低熔点的基体，在此温度下进行正常烧结。需要说明的是，发明人也实验过其余的中间材料，或者在金属粉末中加入其余金属粉末，结果均不可以解决上述烧结问题。
需要注意的是，烧结时，上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力处于40～60MPa之间，保证能够压紧的同时不会因为压力过大而对模具和不锈钢基体造成损坏。
下面给出具体实施例。在此说明，下面实施例中给出的摩擦磨损实验，其实验过程为：对磨球为5mm的氮化硅球，采用圆盘摩擦磨损形式对合金涂层进行摩擦磨损实验，其试验工艺条件为：试验载荷为200g，滑动速度560r/min，摩擦时间为30min，分别在常温和700℃下进行实验。
实施例1
本实施例的钼基合金涂层，其化学成分及其质量百分比为：Cu：5％，Zr：0.15％，Ti：0.6％，C：0.06％，Mo：94.19％。
一、预处理
将Mo粉、Cu粉、TiH2、ZrH2、石墨粉按质量比94.19∶5∶0.6∶0.15∶0.06的比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合10h，混合时加入少许无水乙醇；
取待烧结的304不锈钢，对304不锈钢的待粘接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；
选用厚度在100um、纯度不低于99.0％的镍箔作为中间过渡层，对镍箔两面进行打磨、抛光；
二、制模
取石墨模具，将处理好的304不锈钢基体、镍箔、Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使镍箔位于304不锈钢基体和合金粉末之间；
三、烧结
将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脉冲电流，对304不锈钢基体与Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：
上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；
升温速率为：从室温区至600℃为300℃/min，600℃至烧结粘接温度为100℃/min；
粘接温度分别采取1000℃，1050℃和1100℃(先后进行三次实验，分别采取这三种烧结温度，其余过程和参数保持不变)；
保温时间为10min；
降温速率为：从粘接温度降至600℃的区间的降温速率为100℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后均成功制得钼基合金涂层，涂层的硬度、结合度均较佳。
将所得钼基合金涂层进行摩擦磨损测试试验，室温下摩擦系数为：1.0，700℃下摩擦系数为：0.4。对TZM合金在同条件下进行摩擦磨损侧视实验，室温下摩擦系数为：1.1，700℃下摩擦系数为：0.45。(TZM合金为市场上最常用的钼钛锆合金)
实施例2
本实施例的钼基合金涂层，其化学成分及其质量百分比为：Cu：10％，Zr：0.08％，Ti：0.5％，C：0.02％，Mo：89.4％。
一、预处理
将Mo粉、Cu粉、TiH2、ZrH2、石墨粉按质量比89.4∶10∶0.5∶0.08∶0.02的比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合10h，混合时加入少许无水乙醇。
取待烧结的304不锈钢，对304不锈钢的待粘接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；
选用厚度在100um、纯度不低于99.0％的镍箔作为中间过渡层，对镍箔两面进行打磨、抛光；
二、制模
取石墨模具，将处理好的304不锈钢基体、镍箔、Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使镍箔位于304不锈钢基体和合金粉末之间；
三、烧结
将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脉冲电流，对304不锈钢基体与Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：
上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；
升温速率为：从室温区至600℃为300℃/min，600℃至烧结粘接温度为100℃/min；
粘接温度分别采取1000℃，1050℃和1100℃(先后进行三次实验，分别采取这三种烧结温度，其余过程和参数保持不变)；
保温时间为10min；
降温速率为：从粘接温度降至600℃的区间的降温速率为100℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后均成功制得钼基合金涂层，涂层的硬度、结合度均较佳。
将所得钼基合金涂层进行摩擦磨损测试试验，室温下摩擦系数为：0.9，700℃下摩擦系数为：0.35。对TZM合金在同条件下进行摩擦磨损侧视实验，室温下摩擦系数为：1.1，700℃下摩擦系数为：0.45。
实施例3
本实施例的钼基合金涂层，其化学成分及其质量百分比为：Cu：30％，Zr：0.12％，Ti：0.4％，C：0.04％，Mo：69.44％。
一、预处理
将Mo粉、Cu粉、TiH2、ZrH2、石墨粉按质量比69.44∶30∶0.4∶0.12∶0.04的比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合10h，混合时加入少许无水乙醇。
取待烧结的304不锈钢，对304不锈钢的待粘接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；
选用厚度在100um、纯度不低于99.0％的镍箔作为中间过渡层，对镍箔两面进行打磨、抛光；
二、制模
取石墨模具，将处理好的304不锈钢基体、镍箔、Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使镍箔位于304不锈钢基体和合金粉末之间；
三、烧结
将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脉冲电流，对304不锈钢基体与Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：
上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；
升温速率为：从室温区至600℃为300℃/min，600℃至烧结粘接温度为100℃/min；
粘接温度分别采取1000℃，1050℃和1100℃(先后进行三次实验，分别采取这三种烧结温度，其余过程和参数保持不变)；
保温时间为10min；
降温速率为：从粘接温度降至600℃的区间的降温速率为100℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后均成功制得钼基合金涂层，涂层的硬度、结合度均较佳。
将所得钼基合金涂层进行摩擦磨损测试试验，室温下摩擦系数为：1.0，700℃下摩擦系数为：0.3。对TZM合金在同条件下进行摩擦磨损侧视实验，室温下摩擦系数为：1.1，700℃下摩擦系数为：0.45。
实施例4
本实施例的钼基合金涂层，其化学成分及其质量百分比为：Cu：5％，Zr：0.15％，Ti：0.6％，C：0.06％，Mo：94.19％。
一、预处理
将Mo粉、Cu粉、TiH2、ZrH2、石墨粉按质量比94.19∶5∶0.6∶0.15∶0.06的比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合10h，混合时加入少许无水乙醇；
取待烧结的304不锈钢，对304不锈钢的待粘接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；
选用厚度在30um、纯度不低于99.0％的Ni箔；厚度在30um、纯度不低于99.0％Cu箔作为中间过渡层，对Ni箔、Cu箔两面进行打磨、抛光；
二、制模
取石墨模具，将处理好的304不锈钢基体、Ni箔、Cu箔、Ni箔、Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使Ni箔、Cu箔、Ni箔位于304不锈钢基体和合金粉末之间；
三、烧结
将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脉冲电流，对304不锈钢基体与Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：
上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；
升温速率为：从室温区至600℃为300℃/min，600℃至烧结粘接温度为100℃/min；
粘接温度分别采取1000℃，1050℃和1100℃(先后进行三次实验，分别采取这三种烧结温度，其余过程和参数保持不变)；
保温时间为10min；
降温速率为：从粘接温度降至600℃的区间的降温速率为100℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后均成功制得钼基合金涂层，涂层的硬度、结合度均较佳。
将所得钼基合金涂层进行摩擦磨损测试试验，室温下摩擦系数为：1.0，700℃下摩擦系数为：0.4。对TZM合金在同条件下进行摩擦磨损侧视实验，室温下摩擦系数为：1.1，700℃下摩擦系数为：0.45。
实施例5
本实施例的钼基合金涂层，其化学成分及其质量百分比为：Cu：5％，Zr：0.15％，Ti：0.6％，C：0.06％，Mo：94.19％。
一、预处理
将Mo粉、Cu粉、TiH2、ZrH2、石墨粉按质量比94.19∶5∶0.6∶0.15∶0.06的比例配料。在行星球磨机中按球料比10∶1混合10h，混合时加入少许无水乙醇；
取待烧结的304不锈钢，对304不锈钢的待粘接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；
选用厚度在30um、纯度不低于99.0％的Ti箔；厚度在50um、纯度不低于99.0％的Nb箔；厚度在30um、纯度不低于99.0％的Cu箔作为中间过渡层，对Ti箔、Nb箔、Cu箔两面进行打磨、抛光；
二、制模
取石墨模具，将处理好的304不锈钢基体、Cu箔、Nb箔、Ti箔、Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使Cu箔、Nb箔、Ti箔位于304不锈钢基体和合金粉末之间；
三、烧结
将待烧结的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脉冲电流，对304不锈钢基体与Mo-Ti-Zr-Cu-C合金粉末进行烧结粘接，烧结工艺为：
上压头和下压头对铁基以及金属粉末的轴向压力为50MPa；
升温速率为：从室温区至600℃为300℃/min，600℃至烧结粘接温度为100℃/min；
粘接温度分别采取1000℃，1050℃和1100℃(先后进行三次实验，分别采取这三种烧结温度，其余过程和参数保持不变)；
保温时间为10min；
降温速率为：从粘接温度降至600℃的区间的降温速率为100℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后均成功制得钼基合金涂层，涂层的硬度、结合度均较佳。
将所得钼基合金涂层进行摩擦磨损测试试验，室温下摩擦系数为：1.0，700℃下摩擦系数为：0.4。对TZM合金在同条件下进行摩擦磨损侧视实验，室温下摩擦系数为：1.1，700℃下摩擦系数为：0.45。
综上所述，本实施例的一种钼基合金涂层的制备方法，在使用SPS技术在低熔点基体上制备耐高温涂层时，能够有效地解决耐高温合金涂层和低熔点基体之间的热膨胀系数不一致，烧结难以成功的问题，二者的结合强度高，实际烧结粘接温度很好地保持在低熔点基体的熔点之下，避免基体发生融化变形和再结晶现象。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钼基合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
一、取铁基、金属箔并进行预处理，使二者达到使用要求，
二、取石墨模具，所述石墨模具包括上压头、下压头和中空的阴模；将烧结材料按铁基、金属箔和含钼金属粉末的顺序依次放入阴模中，并用上压头和下压头压紧；
三、将石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，然后通入电流，对铁基与含钼金属粉末进行烧结粘接。
2.根据权利要求1所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，烧结材料放入阴模中的过程为以下三种中的任意一种：
①将铁基、镍箔和含钼金属粉末依次放入阴模中；
②将铁基、镍箔、铜箔、镍箔和含钼金属粉末依次放入阴模中；
③将铁基、铜箔、铌箔、钛箔和含钼金属粉末依次放入阴模中。
3.根据权利要求1所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，烧结粘结工艺的具体过程为：①以300℃/min的升温速率加热至600℃后，以100℃/min的升温速率加热至1000～1100℃；②保温10～15min；③以100℃/min的降温速率降至600℃后，在炉中自然冷却至室温，冷却后制得钼基合金涂层。
4.根据权利要求1所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述含钼金属粉末中各组分的质量百分比为5％～30％的Cu、0.4％～0.6％的TiH2、0.07％～0.16％的ZrH2和0.01％～0.08％的C，其余为Mo。
5.根据权利要求4所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：烧结粘接时，上压头和下压头的轴向压力为40～60MPa。
6.根据权利要求5所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述含钼金属粉末的粒径为9-11um。
7.根据权利要求1所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，在通入直流脉冲电流前，在炉膛内抽真空至压强不大于10Pa。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，对铁基的预处理过程为：依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸分别对铁基的待粘接面进行预磨，预磨完后进行抛光并在酒精中进行超声波清洗。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，对金属箔的预处理过程为：金属箔两面依次使用#200、#400、#600、#800金相砂纸分别进行预磨，预磨完后进行抛光并在酒精中进行超声波清洗。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种钼基合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的放电等离子烧结系统采用上海晨华科技股份有限公司生产的SPS-20T-10-Ⅲ型放电等离子烧结系统。
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