CN111763939B - 一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层及其制备方法，涉及金属/陶瓷复合材料制备技术领域，所述涂层通过喷涂技术将TiAl3/Ti/C复合粉末喷涂于基体表面获得，所述TiAl3/Ti/C复合粉末由30vol.%‑40vol.%的纳米晶TiAl3，20vol.%‑30vol.%的纳米Ti，10vol.%‑15vol.%的微米Ti，10vol.%‑30vol.%的纳米C和10vol.%‑15vol.%的微米C组成。本发明将粒径为纳米级的Ti、C与微米Ti、C相结合，通过原位反应生成多尺度TiC和TiAl相有利于提高涂层各相间的界面结合，涂层致密性良好，结合强度高，采用TY8000型万能拉伸试验机对涂层进行结合强度测试可得，涂层的平均结合强度≥50MPa。
Description
技术领域
本发明涉及复合涂层技术领域，具体涉及一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层及其制备方法。
背景技术
机械零部件表面磨损与高温腐蚀是其失效的主要方式，其中表面磨损约占零件表面失效的60%-80%；在高温工况条件下进行长期服役的航空航天、化工、电力等行业的工业设备中，高温腐蚀会大大降低这些设备的使用寿命。金属陶瓷材料是目前广泛应用的整体耐磨材料和零件表面强化涂层材料之一，但在高温氧化、腐蚀及磨损条件下，传统金属陶瓷因其Co、Ni等粘结相抗腐蚀能力较低，存在耐高温腐蚀和耐磨损性能不足等问题。研究发现，WC-Co涂层材料耐氧化温度低于450℃，Cr3C2-NiCr基涂层具有较高的耐氧化温度，但其耐磨性能相对WC-Co涂层较差；同时WC-Co、Cr3C2-NiCr涂层虽具有一定的抗腐蚀能力，但其使用寿命相对较短。因此，选择一种新型的具有优异耐磨损和耐高温腐蚀性能的涂层材料非常关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层及其制备方法，该方法通过将不同粒径的Ti、C相结合提高了粒子间的结合力并通过冷喷涂技术进行原位反应生成涂层粒径大小及分布均匀，所制备的涂层致密性及耐磨性良好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层，所述涂层通过喷涂技术将TiAl3/Ti/C复合粉末喷涂于基体表面获得，所述TiAl3/Ti/C复合粉末由30vol.%-40vol.%的纳米晶TiAl3，20vol.%-30vol.%的纳米Ti，10vol.%-15vol.%的微米Ti，10vol.%-30vol.%的纳米C和10vol.%-15vol.%的微米C组成。
进一步地，所述纳米Ti的粒径为30-100nm，微米Ti的粒径为1-5μm，纳米C的粒径为100-150nm，微米C的粒径为1-5μm，纳米晶TiAl3的粒径为50-100nm。
更进一步地，所述TiAl3/Ti/C复合粉的粒径为15-50μm。
本发明采用的技术方案之二为：一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、将粒径为纳米级和微米级的Ti、C粉末与纳米晶TiAl3粉末进行混合球磨获得TiAl3/Ti/C复合粉末；
S2、将TiAl3/Ti/C复合粉末通过冷喷涂技术喷涂于基体表面获得TiAl3/Ti/C复合涂层；
S3、对所述TiAl3/Ti/C复合涂层进行热处理获得多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层。
进一步地，所述TiAl3/Ti/C复合涂层的厚度为150-200μm。
更进一步地，所述冷喷涂的工艺参数为：喷涂温度为250-550℃，送粉率为50-80g/min，喷涂距离为10-20mm，喷枪移动速度为50-100mm/s。
更进一步地，所述基体为316L不锈钢。
更进一步地，所述方法还包括对所述基体进行喷砂粗化预处理过程。
更进一步地，所述热处理的具体过程为：室温至250℃，升温速率为10～15℃/min；250℃至450℃，升温速率为5～10℃/min；450℃至550～650℃，升温速率为2～5℃/min；保温温度为550～650℃，保温时间为10-20小时；650℃至1100℃，升温速率为1～3℃/min；最后在1100℃保温1-3h。
本发明的有益效果：
本发明将不同粒径的纳米Ti、C与微米Ti、C相结合，通过原位反应生成多尺度TiC和TiAl相，有利于提高涂层各相间的界面结合，涂层致密性良好，结合强度高，采用TY8000型万能拉伸试验机对涂层进行结合强度测试可得，涂层的平均结合强度≥50MPa。
采用冷喷涂结合后热处理工艺(纯氩气惰性气体保护)原位反应制备获得的TiC增强TiAl3/TiAl双相复合涂层物相中不存在氧化物或其他杂相。
原位反应获得的多尺度TiC和TiAl相可达到对涂层增强增韧效果，涂层的断裂韧性值可达到15-16MPa·m-1/2。
TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层具有良好的耐磨损性能，采用ML-100型销盘磨损实验机进行磨损实验，其中磨损工艺参数为：磨程16m，转速60r/min，进给量4mm/r，试验载荷为6N，最终测得涂层的平均失重量为2.1±0.15mg，相比于316L不锈钢的磨损量15.86±2.3mg，涂层的耐磨损性能提高了近8倍。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的热处理后涂层的XRD图谱；
图2为本发明实施例的热处理后涂层截面形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层，所述涂层通过喷涂技术将TiAl3/Ti/C复合粉末喷涂于基体表面获得，所述TiAl3/Ti/C复合粉末由30vol.%粒径为100nm的纳米晶TiAl3，20vol.%粒径为100nm的纳米Ti，15vol.%粒径为5μm的微米Ti，20vol.%粒径为100nm的纳米C和15vol.%粒径为1μm的微米C组成。
一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S11：将30vol.%粒径为100nm的纳米晶TiAl3，20vol.%粒径为100nm的纳米Ti，15vol.%粒径为5μm的微米Ti，20vol.%粒径为100nm的纳米C和15vol.%粒径为1μm的微米C进行混合球磨、筛分获得粒径为15-50μm的TiAl3/Ti/C复合粉末；球磨参数为：球料比为10:1，转速为250rpm，球磨时间为18h，；
S12：采用冷喷涂系统在316L不锈钢沉积制备TiAl3/Ti/C复合涂层，喷涂前对基体进行喷砂粗化处理，喷涂气体采用N2，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度250℃，送粉率为50g/min，喷枪移动速度为50mm/s，喷涂距离10mm，涂层厚度控制在200μm；
S13：喷涂后涂层放入有惰性气体保护的管式炉中进行热处理，热处理工艺控制在：室温至250℃，升温速率为10℃/min；250℃至450℃，升温速率为5℃/min；450℃至550～650℃，升温速率为5℃/min；保温温度为550～650℃，保温时间为10小时；650℃至1100℃，升温速率为3℃/min；最后在1100℃保温3h获得多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层。
对实施例1的涂层进行X射线衍射分析，结果见图1，从图中可以发现，经过热处理后，涂层中原位反应生成了TiC陶瓷相及TiAl金属间化合物。
实施例2
一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层，所述涂层通过喷涂技术将TiAl3/Ti/C复合粉末喷涂于基体表面获得，所述TiAl3/Ti/C复合粉末由40vol.%粒径为50nm的纳米晶TiAl3，25vol.%粒径为30nm的纳米Ti，10vol.%粒径为1μm的微米Ti，15vol.%粒径为150nm的纳米C和10vol.%粒径为5μm的微米C组成。
一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S11：将40vol.%粒径为50nm的纳米晶TiAl3，25vol.%粒径为30nm的纳米Ti，10vol.%粒径为1μm的微米Ti，15vol.%粒径为150nm的纳米C和10vol.%粒径为5μm的微米C进行混合球磨、筛分获得粒径为15-50μm的TiAl3/Ti/C复合粉末；球磨参数为：球料比为10:1，转速为250rpm，球磨时间为18h，；
S12：采用冷喷涂系统在316L不锈钢沉积制备TiAl3/Ti/C复合涂层，喷涂前对基体进行喷砂粗化处理，喷涂气体采用N2，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度450℃，送粉率为80g/min，喷枪移动速度为100mm/s，喷涂距离20mm，涂层厚度控制在150μm；
S13：喷涂后涂层放入有惰性气体保护的管式炉中进行热处理，热处理工艺控制在：室温至250℃，升温速率为15℃/min；250℃至450℃，升温速率为10℃/min；450℃至550～650℃，升温速率为2℃/min；保温温度为550～650℃，保温时间为15小时；650℃至1100℃，升温速率为1℃/min；最后在1100℃保温1h获得多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层。
观察本实施例涂层的热处理后涂层截面形貌，结果见图2，从图中发现，经过热处理后，Ti与C、TiAl3发生原位反应后，涂层组织致密，未发现明显的孔洞和裂纹，各粒子间结合良好。
实施例3
一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层，所述涂层通过喷涂技术将TiAl3/Ti/C复合粉末喷涂于基体表面获得，所述TiAl3/Ti/C复合粉末由35vol.%粒径为70nm的纳米晶TiAl3，30vol.%粒径为60nm的纳米Ti，10vol.%粒径为3μm的微米Ti，15vol.%粒径为130nm的纳米C和10vol.%粒径为3μm的微米C组成。
一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S11：将35vol.%粒径为70nm的纳米晶TiAl3，30vol.%粒径为60nm的纳米Ti，10vol.%粒径为3μm的微米Ti，15vol.%粒径为130nm的纳米C和10vol.%粒径为3μm的微米C进行混合球磨、筛分获得粒径为15-50μm的TiAl3/Ti/C复合粉末；球磨参数为：球料比为10:1，转速为250rpm，球磨时间为18h，；
S12：采用冷喷涂系统在316L不锈钢沉积制备TiAl3/Ti/C复合涂层，喷涂前对基体进行喷砂粗化处理，喷涂气体采用N2，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度550℃，送粉率为70g/min，喷枪移动速度为80mm/s，喷涂距离15mm，涂层厚度控制在200μm；
S13：喷涂后涂层放入有惰性气体保护的管式炉中进行热处理，热处理工艺控制在：室温至250℃，升温速率为13℃/min；250℃至450℃，升温速率为8℃/min；450℃至550～650℃，升温速率为4℃/min；保温温度为550～650℃，保温时间为13小时；650℃至1100℃，升温速率为2℃/min；最后在1100℃保温2h获得多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层，其特征在于，所述涂层通过冷喷涂技术将TiAl3/Ti/C复合粉末喷涂于基体表面获得，所述TiAl3/Ti/C复合粉末由30vol.%-40vol.%的纳米晶TiAl3，20vol.%-30vol.%的纳米Ti，10vol.%-15vol.%的微米Ti，10vol.%-30vol.%的纳米C和10vol.%-15vol.%的微米C组成；所述纳米Ti的粒径为30-100nm，微米Ti的粒径为1-5μm，纳米C的粒径为100-150nm，微米C的粒径为1-5μm，纳米晶TiAl3的粒径为50-100nm。
2.根据权利要求1所述的多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层，其特征在于，所述TiAl3/Ti/C复合粉末的粒径为15-50μm。
3.一种多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将粒径为纳米级和微米级的Ti、C粉末与纳米晶TiAl3粉末进行混合球磨获得TiAl3/Ti/C复合粉末；所述TiAl3/Ti/C复合粉末由30vol.%-40vol.%的纳米晶TiAl3，20vol.%-30vol.%的纳米Ti，10vol.%-15vol.%的微米Ti，10vol.%-30vol.%的纳米C和10vol.%-15vol.%的微米C组成；所述纳米Ti的粒径为30-100nm，微米Ti的粒径为1-5μm，纳米C的粒径为100-150nm，微米C的粒径为1-5μm，纳米晶TiAl3的粒径为50-100nm；
S2、将TiAl3/Ti/C复合粉末通过冷喷涂技术喷涂于基体表面获得TiAl3/Ti/C复合涂层；
S3、对所述TiAl3/Ti/C复合涂层进行热处理获得多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层。
4.根据权利要求3所述的多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，其特征在于，所述TiAl3/Ti/C复合涂层的厚度为150-200μm。
5.根据权利要求3所述的多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，其特征在于，所述冷喷涂的工艺参数为：喷涂温度为250-550℃，送粉率为50-80g/min，喷涂距离为10-20mm，喷枪移动速度为50-100mm/s。
6.根据权利要求3所述的多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，其特征在于，所述基体为316L不锈钢。
7.根据权利要求3所述的多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，其特征在于，所述方法还包括对所述基体进行喷砂粗化预处理过程。
8.根据权利要求3所述的多尺度TiC陶瓷相增强TiAl3/TiAl双相复合涂层的制备方法，其特征在于，所述热处理的具体过程为：室温至250℃，升温速率为10～15℃/min；250℃至450℃，升温速率为5～10℃/min；450℃至550～650℃，升温速率为2～5℃/min；保温温度为550～650℃，保温时间为10-20小时；650℃至1100℃，升温速率为1～3℃/min；最后在1100℃保温1-3h。
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