CN111826570B - 一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法，属于表面工程技术领域。粉末成分为TiC：占50～75％，NiCrAlSiX占25～50％，NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，X为W+V，3％≤X总量≤8％，Ni为余量。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Al可以抑制TiC的溶解，保持涂层的硬度和韧性，同时也可以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，添加5～20％的Mo提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性能。本发明有助于TiC涂层取代WC涂层，降低喷涂成本。

Description

一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末及其制备方法，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
热喷涂技术广泛应用于航空航天、电力、冶金、石化、汽车等行业。常用的碳化物耐磨涂层材料主要有碳化钨和碳化铬涂层材料，碳化钨涂层主要用于500℃以下环境中，硬度一般在HV0.31100以上；碳化铬涂层常用于500℃～850℃的高温耐磨环境下，碳化铬的抗氧化性较好，但硬度相对较低，常温下的硬度约为HV0.3800左右，常难以满足使用要求。
碳化钛硬度高，纯TiC显微硬度HV0.33200(纯WC显微硬度HV0.32800，纯Cr3C2显微硬度HV0.31700)，化学性能稳定，在低于800℃时对空气稳定，高于2000℃时受空气侵蚀，是一种极具应用潜力的热喷涂材料。铁基碳化钛喷涂材料由于其耐腐蚀性能较差，还处在研究之中；碳化钛镍基喷涂材料耐腐蚀性好，但热喷涂后的涂层硬度较低。以TiC-NiCr为例，在热喷涂过程中，焰流温度在2200℃以上，粉末颗粒会加热到1600℃以上，TiC易在镍中溶解，较多的TiC固溶在镍基基体中，硬质相减少，涂层硬度下降。TiC溶于镍之后会增加粘结相镍基合金中的含碳量，造成涂层韧性下降，涂层性能难以满足使用要求。超音速火焰喷涂TiC-25NiCr的涂层在常温下硬度一般为HV0.3820-980，低于一般碳化钨涂层的使用要求。中高温(500～800℃)使用过程中TiC-NiCr的耐氧化性和耐磨性都低于Cr3C2-NiCr涂层。
发明内容
为解决上述问题，本发明设计出新型碳化钛镍基喷涂粉末，可有效提高碳化钛金属陶瓷涂层的在高温下的耐磨性。具体技术方案为：一种耐高温高硬度镍基碳化钛粉末，成分以质量计：TiC占50～75％，NiCrAlSiX占25～50％，X为W+V；在NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，3％≤X总量≤8％，Ni为余量。
在一些具体实施方案中，也可以在NiCrAlSiX中添加不大于0.8％的B，拓宽喷涂工艺窗口；添加5～20％的Mo，提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性能。
本发明还提供一种耐高温高硬度镍基碳化钛粉末的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料准备：TiC粉末，占复合粉末总重量的50～75％；NiCrAlSiX占25～50％，NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，X为W+V，3％≤X总量≤8％，Ni为余量。
在一些具体实施方案中，也可以在此NiCrAlSiX中添加不大于0.8％的B拓宽喷涂工艺窗口，添加5～20％的Mo提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性能。
(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，即为耐高温高硬度镍基碳化钛粉末。
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(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：
Si的添加减少了1600℃以上高温时TiC在Ni基金属中的溶解，无Si元素存在时，TiC在Ni中的溶解度可达8wt％以上，添加适量的Si元素，TiC在Ni中的溶解度降低在3wt％以下；在NiCrAlSi中添加总量在3～8％的W和V提高NiCrAlSi基体在500～800℃的硬度，高温下TiC部分溶解在镍基合金中，冷却至1200摄氏度左右时会析出M7C3，加入W和V后有助于在高温下生成微小的碳化物，促使碳化物在镍基体中形成弥散分布的强化相，提高镍基合金在500～800℃时的硬度，进而提高涂层的高温耐磨性。
附图说明
图1为本发明制备的耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末颗粒的形貌。
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75kg，NiCrAlSiX粉末25kg，其中Cr占NiCrAlSiX的20％，Al占NiCrAlSiX的8％，Si占NiCrAlSiX的1％，W+V合计占5％，余量为Ni；
2)将上述两种粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入2.5kg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210℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/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1330℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)将上述出炉后粉末的筛分分级后获得适合喷涂的粉末，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末材料，颗粒形貌如图1所示。
6)采用超音速火焰喷涂制备该涂层与Cr3C2-25NiCr进行700℃高温摩擦磨损试验，摩擦副为Si3N4，压力40牛顿，速率8Hz，摩擦15分钟，Cr3C2-25NiCr最大磨损深度45微米，本方法制备材料的涂层最大磨损深度18微米，优于Cr3C2-25NiCr涂层。
实施例2
1)称取TiC粉50kg，NiCrAlSiX粉末50kg，其中Cr占NiCrAlSiX的23％，Al占NiCrAlSiX的10％，Si占NiCrAlSiX的1.8％，W+V合计占5％，余量为Ni；
2)将上述两种粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入2.8kg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210℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/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1325℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)将上述出炉后粉末的筛分分级后获得适合喷涂的粉末，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末材料。
6)采用超音速火焰喷涂制备该涂层与Cr3C2-25NiCr进行700℃高温摩擦磨损试验，摩擦副为Si3N4，压力50牛顿，速率8Hz，摩擦15分钟，Cr3C2-25NiCr最大磨损深度50微米，本方法制备材料的涂层最大磨损深度20微米，优于Cr3C2-25NiCr涂层。
实施例3
1)称取TiC粉60kg，NiCrAlSiX粉末40kg，其中Cr占NiCrAlSiX的23％，Al占NiCrAlSiX的10％，Si占NiCrAlSiX的1.8％，W+V合计占5％，余量为Ni；
2)将上述两种粉末混合均匀，加入去离子水制成湿磨介质，加入2.8kg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210℃，出口温度为110℃，雾化盘转速为12000/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1330℃，保温3小时后随炉冷至150℃以下出炉；
5)将上述出炉后粉末的筛分分级后获得适合喷涂的粉末，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末材料。
6)采用超音速火焰喷涂制备该涂层与Cr3C2-25NiCr进行700℃高温摩擦磨损试验，摩擦副为Si3N4，压力40牛顿，速率8Hz，摩擦15分钟，Cr3C2-25NiCr最大磨损深度45微米，本方法制备材料的涂层最大磨损深度15微米，优于Cr3C2-25NiCr涂层。

Claims (7)

1.一种耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末，其特征在于，成分以质量计：TiC占50～75％，NiCrAlSiX占25～50％，X为W+V；在NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，3％≤X总量≤8％，Ni为余量。
2.根据权利要求1所述的耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末，其特征在于，在NiCrAlSiX中添加不大于0.8％的B和5～20％的Mo。
3.根据权利要求1或2所述的耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)原料准备：TiC粉末，占复合粉末总重量的50～75％；NiCrAlSiX占25～50％，NiCrAlSiX中：Cr占20～23％，Al占7～10％，Si占1～2.5％，X为W+V，3％≤X总量≤8％，Ni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，即为耐高温高耐磨镍基碳化钛粉末。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)在NiCrAlSiX中添加不大于0.8％的B和5～20％的Mo。
5.根据权利要求3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。
6.根据权利要求3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。
7.根据权利要求3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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