CN111826571A - 一种新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末及其制备方法 - Google Patents

一种新型碳化钛-铁铬铝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‑铁铬铝热喷涂粉末及其制备方法，属于表面工程技术领域。粉末成分为TiC：占40～65％，FeNiCrAl占35～60％；以质量计各元素的含量为Ti：32～52％，C：8～13％，Fe：17～30％，Ni：8.5～15％，Cr：6～14％，Al：1.5～3％，Si：0.17～0.3％。该成分粉末可以提升碳化钛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，显著提高所得到涂层的耐腐蚀性能，能够在表面耐磨防护领域得到广泛应用。

Description

一种新型碳化钛-铁铬铝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，涉及一种热喷涂用的碳化钛铁基复合粉，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
工业部件的失效常常在表面发生，表面防护是提高工业零部件寿命的常用方法。热喷涂金属陶瓷涂层是一种应用广泛的表面防护工艺，金属陶瓷复合材料具有陶瓷的硬度和金属的韧性，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，且价格较贵，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，在硬质合金行业已经部分取代WC获得广泛应用。而在热喷涂领域，其应用较少，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％。但该涂层的耐腐蚀性能存在不足，主要原因是喷涂过程中的焰流温度在2000℃以上，喷涂粉末颗粒会被加热到1600℃以上，喷涂粉末在冷却过程中会在边缘析出Cr、Al等元素，而这两种元素易在喷涂中发生氧化，降低了Cr、Al的实际含量，造成耐腐蚀性下降。
实践中，以普通碳钢为基体，制备75TiC-25FeCrAl的涂层样片在中性盐雾试验条件下不足50小时就会出现锈斑。人们迫切需要一种新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末，提高所得到涂层的耐腐蚀性能，从而在表面耐磨防护领域得到广泛应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末，可有效提高碳化钛金属陶瓷涂层的耐腐蚀性。碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末成分以质量计：TiC占40～65％；FeNiCrAl占35～60％。
进一步地，碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末中，以质量计各元素的含量为：Ti：32～52％，C：8～13％，Fe：17～30％，Ni：8.5～15％，Cr：6～14％，Al：1.5～3％，Si：0.17～0.3％。
以质量计各组分的最优配比为：TiC占60％，Fe占19.8％，Ni占10％，Cr占8％，Al占2％，Si占0.2％。
发明人经过不断探索发现：粉末材料在热喷涂过程中经历快速加热、熔化、变形、凝固等过程形成涂层，粉末在快速加热熔化过程中偏离平衡状态，TiC在高温下部分溶于铁基合金中，快速冷却过程中，由于存在一定含量的Ni，在1647K左右，即热喷涂粉末凝固温度点左右，铁合金会优先凝固成奥氏体，Cr、Al会较多的溶解在腐蚀性奥氏体中，提高铁合金的耐腐蚀性能；如果Ni含量偏少，则铁合金优先凝固成铁素体，Cr、Al在铁素体中溶解度较小，会在凝固颗粒边缘析出，此时凝固颗粒温度还较高，易发生氧化。Ni含量过高时，TiC在高温会溶解到铁合金中，造成涂层硬度偏低；本发明添加了Si元素，进一步限制了TiC在铁合金中溶解，另外Si还可以促使TiC金属陶瓷颗粒在喷涂飞行过程中表面形成SiO2保护膜，减缓Cr、Al的氧化，提高涂层的耐腐蚀性能。
本发明还提供一种新型碳化钛-铁铬铝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40～65％；铁粉，占总重量的17～30％；镍粉，占总重量的8.5～15％；铬粉，占总重量的6～14％；铝粉，占总重量的1.5～3％；Si粉，占总重量的0.17～0.3％。
其中最优配比为：TiC占60％，Fe占19.8％，Ni占10％，Cr占8％，Al占2％，Si占0.2％。
(2)将上述粉末混合均匀，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-铁铬铝热喷涂粉末。
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，提供了一种新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末及其制备方法，所得到的涂层耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时，显著提高所得到涂层的耐腐蚀性能，能够在表面耐磨防护领域得到广泛应用。
附图说明
图1为本发明制备的新型碳化钛-铁铬铝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60kg，Fe粉19.8kg，Ni粉10kg，Cr粉8kg，Al粉2kg，Si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-铁铬铝热喷涂粉末成品，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HV0.31050～1283，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例2
1)称取TiC粉50kg，Fe粉24.5kg，Ni粉12.5kg，Cr粉10kg，Al粉2.75kg，Si粉0.25kg；
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-铁铬铝热喷涂粉末成品。
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HV0.31020～1220，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
实施例3
1)称取TiC粉65kg，Fe粉17.3kg，Ni粉8.75kg，Cr粉7kg，Al粉1.75kg，Si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-铁铬铝热喷涂粉末成品。
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HV0.31210～1380，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29.7kg，Ni粉15kg，Cr粉12kg，Al粉3kg，Si粉0.3kg；
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1240℃，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-铁铬铝热喷涂粉末成品。
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HV0.3610～880，耐中性盐雾腐蚀时间大于96小时。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。

Claims (9)

1.一种新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末，其特征在于，粉末成分以质量计：TiC占40～65％；FeNiCrAl占35～60％。
2.根据权利要求1所述的新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末，其特征在于，以质量计各元素的含量为：Ti：32～52％，C：8～13％，Fe：17～30％，Ni：8.5～15％，Cr：6～14％，Al：1.5～3％，Si：0.17～0.3％。
3.根据权利要求1所述的新型碳化钛-铁铬铝热喷涂粉末，其特征在于，以质量计各组分的最优配比为：TiC占60％，Fe占19.8％，Ni占10％，Cr占8％，Al占2％，Si占0.2％。
4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的新型碳化钛-铁铬铝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40～65％；铁粉，占总重量的17～30％；镍粉，占总重量的8.5～15％；铬粉，占总重量的6～14％；铝粉，占总重量的1.5～3％；Si粉，占总重量的0.17～0.3％；
(2)将上述粉末混合均匀，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。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中最优配比为：TiC占60％，Fe占19.8％，Ni占10％，Cr占8％，Al占2％，Si占0.2％。
6.根据权利要求4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。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中球磨前还加入抗氧化剂和消泡剂。
8.根据权利要求4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。
9.根据权利要求4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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