CN111809134A - 一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法 - Google Patents

一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种新型碳化钛‑铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法，属于表面工程技术领域。粉末成分以质量计：TiC占50～75％，FeNiCrSi占25～50％；在FeNiCrSi中：Cr13～18％，Ni6.7～20％，Si1～2.5％，B≤0.5％，Fe余量。Ni的添加保持了Cr在铁基体中的稳定性，避免喷涂过程中Cr元素的析出，提高了材料的耐腐蚀性能；添加适量的Si，可以抑制TiC的溶解，保持涂层的硬度和韧性，同时提高复合材料的耐腐蚀性；添加少量的硼，有助于拓宽喷涂工艺窗口。该成分粉末提升了TiC金属陶瓷涂层的耐腐蚀性能，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。本发明有助于实现TiC涂层取代WC涂层，降低喷涂成本。

Description

一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末及其制备方法，可用于机械、石油、化工、船舶、冶金、电力等行业的表面耐磨防护。
背景技术
热喷涂碳化钨涂层广泛应用于航空航天、石油化工、冶金、造纸、电力等行业，可以有效改善工业零部件的耐磨性能，提高零部件的安全可靠性和使用寿命。WC-Co是目前热喷涂耐磨涂层最常用的金属陶瓷复合材料，然而由于钨和钴都是战略性资源，价格较贵，在使用中受到一定的限制。TiC是一种常见的碳化物陶瓷，其硬度高、价格便宜，铁基合金和碳化钛形成的钢结硬质合金价格便宜，在硬质合金行业已经部分取代WC-Co获得广泛应用。若热喷涂行业采用铁基碳化钛涂层取代碳化钨涂层，涂层单位面积原料成本降低1000～3000元/平米以上，整体喷涂成本降低20％以上。
钢结硬质合金中TiC占总质量的40％左右，而在热喷涂行业，TiC所占质量比一般在50％以上，而且热喷涂工艺在喷涂过程中粉末颗粒经历的温度一般在1600℃以上，钢结硬质合金的设计经验无法直接用于热喷涂粉末的设计。而在热喷涂领域，很多研究者在研究碳化钛涂层喷涂材料及涂层的性能，但其实际应用较少。有文献研究了超音速火焰喷涂75TiC-25FeCrAl材料的性能(Properties of HVOF-sprayed TiC-FeCrAl coatings，Wear，418-419，(2019)，36-51)，结果表明，TiC-FeCrAl涂层的硬度可达HV1182～HV1380，孔隙率0.53～1.1％，可在中高温取代Cr3C2-NiCr涂层。
热喷涂过程中粉末颗粒会在2200℃以上的焰流中加热，粉末颗粒会加热到1600℃以上，TiC易在铁基金属中溶解，在冷却过程中TiC容易分解在铁基体中生成TiC1-x和Fe2C；另外该涂层的耐腐蚀性能存在不足，主要原因是以铁为粘结相的喷涂粉末在冷却过程中会在边缘析出Cr元素，在喷涂中易发生氧化，造成耐腐蚀性下降。
发明内容
为解决上述问题，本发明设计出新型TiC金属陶瓷喷涂粉末，可有效提高碳化钛金属陶瓷涂层的耐腐蚀性。具体技术方案为：一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末，成分以质量计：TiC占50～75％，FeNiCrSi占25～50％；在FeNiCrSi中：Cr占13～18％，Ni占6.7～20％，Si占1～2.5％，B≤0.5％，Fe余量。
本发明还提供一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末的制备方法，步骤如下：
(1)原料准备：TiC粉末，占复合粉末总重量的50～75％；FeNiCrSi占复合粉末总重量的25～50％，其中：Cr占FeNiCrSi的13～18％，Ni占FeNiCrSi的6.5～20％，Si占FeNiCrSi的1～2.5％，B在FeNiCrSi中的含量≤0.5％，Fe为余量。
(2)将含有上述元素成分的粉末按比例混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入粘结剂后球磨，制得混合料浆。
(3)将上述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒。
(4)将步骤(3)制得的团聚颗粒烧结得到粉末。
(5)将步骤(4)得到的粉末筛分分级后获得成品，即为新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末。
在一些具体实施方案中，步骤(2)中粘接剂为聚乙烯醇或聚乙烯二醇，粘接剂加入量为原料总重量的1～6％，球磨时间12～72小时。
在一些具体实施方案中，步骤(2)中在球磨前还加入抗氧化剂和消泡剂。
在一些具体实施方案中，步骤(3)中喷雾干燥工艺参数为：离心喷雾干燥设备的进口温度为200～240℃，出口温度为110～150℃，雾化盘转速为5000～20000r/min，送料量为100～400ml/min。
在一些具体实施方案中，步骤(4)中烧结工艺参数为：烧结在真空炉中进行，烧结温度为1210～1380℃，保温2～3小时后随炉冷却至150℃以下后出炉。
本发明的有益效果在于，热喷涂过程中，粉末会加热到1600℃以上，在冷却凝固过程中，存在一定含量的Ni会促使铁合金优先凝固成奥氏体组织，可以保留较多的Cr，避免、减缓Cr在铁基体中析出，提高铁合金的耐腐蚀性。但Ni的添加会促进TiC在铁基中的溶解，在喷涂粒子凝固过程中会产生较多TiC1-x和Fe2C，因此通过添加适量的Si，在1600℃以上可以抑制TiC的溶解，促使TiC以Ti1-xCrxC的形态保留为固相，减少C在铁合金中的溶解，从而确保冷却后涂层中Fe2C含量较少，保持涂层的硬度和韧性。添加少量的硼，有助于拓宽喷涂工艺窗口。本发明有助于实现TiC涂层取代WC涂层，降低喷涂成本。
附图说明
图1为本发明制备的新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末颗粒的形貌。
具体实施方式
以下用实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
1)称取TiC粉55kg，Fe粉29kg，Ni粉9kg，Cr粉6kg，Si粉1kg；
2)将上述粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入3kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨24小时，制得混合料浆；
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为220℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为10000/min，送料量为300ml/min；
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1340℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品，其颗粒形貌如图1所示。
6)采用超音速火焰喷涂，优化喷涂工艺参数，以普通碳钢为基体制备涂层，涂层显微硬度HV0.31063～1246，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例2
1)称取TiC粉55kg，Fe粉35.5kg，Ni粉3kg，Cr粉6kg，Si粉0.5kg；；
2)将上述粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入3.3kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨36小时，制得混合料浆；
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为220℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为10000/min，送料量为350ml/min；
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1300℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品。
6)采用超音速火焰喷涂，优化喷涂工艺参数，以普通碳钢为基体制备涂层，涂层显微硬度HV0.31018～1220，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例3
1)称取TiC粉70kg，Fe粉19kg，Ni粉6kg，Cr粉4.2kg，Si粉0.8kg；
2)将上述粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入3.3kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨48小时，制得混合料浆；
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为220℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为10000/min，送料量为350ml/min；
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1360℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品。
6)采用超音速火焰喷涂，优化喷涂工艺参数，以普通碳钢为基体制备涂层，涂层显微硬度HV0.31330～1480，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例4
1)称取TiC粉40kg，Fe粉43kg，Ni粉8kg，Cr粉8kg，Si粉1kg，B粉0.2kg；
2)将上述粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入3.3kg的聚乙烯醇作为粘结剂，少量抗氧化剂、消泡剂，球磨72小时，制得混合料浆；
3)采用离心喷雾干燥方式制备团聚粉末，其中进口温度为230℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/min，送料量为400ml/min；
4)将粉末置于真空脱胶炉中加热，烧结温度为1285℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)筛分分级得到新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末成品。
6)采用超音速火焰喷涂，优化喷涂工艺参数，以普通碳钢为基体制备涂层，涂层显微硬度HV0.3850～980，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。

Claims (6)

1.一种新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末，其特征在于，成分以质量计：TiC占50～75％，FeNiCrSi占25～50％；在FeNiCrSi中：Cr占13～18％，Ni占6.7～20％，Si占1～2.5％，B≤0.5％，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)原料准备：TiC粉末，占复合粉末总重量的50～75％；FeNiCrSi占复合粉末总重量的25～50％，其中：Cr占FeNiCrSi的13～18％，Ni占FeNiCrSi的6.5～20％，Si占FeNiCrSi的1～2.5％，B在FeNiCrSi中的含量≤0.5％，Fe为余量。
(2)将含有上述元素成分的粉末按比例混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入粘结剂后球磨，制得混合料浆。
(3)将上述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒。
(4)将步骤(3)制得的团聚颗粒烧结得到粉末。
(5)将步骤(4)得到的粉末筛分分级后获得成品，即为新型碳化钛-铁镍铬硅热喷涂粉末。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中粘接剂为聚乙烯醇或聚乙烯二醇，粘接剂加入量为原料总重量的1～6％，球磨时间12～72小时。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中在球磨前还加入抗氧化剂和消泡剂。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中喷雾干燥工艺参数为：离心喷雾干燥设备的进口温度为200～240℃，出口温度为110～150℃，雾化盘转速为5000～20000r/min，送料量为100～400ml/min。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中烧结工艺参数为：烧结在真空炉中进行，烧结温度为1210～1380℃，保温2～3小时后随炉冷却至150℃以下后出炉。
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