CN113151820B - 一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述方法步骤依次为：将碳化钨陶瓷前躯体与金属钨前驱体按照1:3的比例在去离子水中混合搅拌；在混合料中分多次加入膨胀石墨，超声分散3小时；将混合液抽滤烘干，得到混合粉末；将混合粉末与增强机体材料按照比例在球磨机上球磨，混合粉末占比为1‑40wt.%；将粉末进行100℃的真空混干处理；将步骤5中的粉末与已配好的阿拉伯胶水溶液进行混合，调制成糊状，均匀涂敷在基体表面；涂敷完毕后，对涂敷层进行150℃烘干；对涂敷层进行预热处理，通过激光高温加热熔融形成涂层。本发明通过廉价的膨胀石墨替代昂贵的石墨烯作为碳源，节省了厂家成本，提高了力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法。
背景技术
碳化物陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高硬度，低热膨胀系数，高耐磨性和耐腐蚀性等优点，广泛应用于金属加工和模具生产等工业领域。同时从技术和经济两方面来看，机械零件表面碳化物增强涂层的制造被认为是最有效的方法之一。由于碳化物具有一些独特的性能，如一定的可塑性和对熔融金属良好的润湿性等，其作为金属基复合材料增强相之一，已经被广泛用于复合涂层中。金属基复合材料涂层的制备途径很多，主要包括激光表面合金化、激光熔覆、超音速火焰喷涂(HVOF)、等离子喷镀、等离子转移弧焊接等。
相比较其他制备方法，激光熔覆技术能够控制热输入量，熔覆过程中产生既小又薄的熔覆层，且能将热量极快地传递给基体材料。这种制备方法是一种典型的快速凝固过程，其凝固速率可以达到106~107K/s。在合适地控制好加工工艺参数条件下，选用适当的熔覆材料，激光熔覆技术可以制备出高性能涂层，如：涂层气孔率较低、涂层致密度高、对基体的热损伤较小，还能与基体材料形成极好的冶金结合。激光熔覆技术可以在基体表面制备出冶金结合的金属基复合材料涂层，涂层综合了金属材料及陶瓷增强相各自的优异特性，可以明显提高机械零件的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性等特点。
在制备碳化物增强增韧金属基复合涂层的过程中，增强相的加入主要由两种方法，一种是在制备过程中直接加入碳化物增强相这种制备方法被称为外加法；外加的增强材料由于其热物性性能与基体金属材料性能差异较大，润湿性差，在制备过程中，增强相与基体材料之间容易产生热应力、裂纹、气孔等缺陷，且增强相在高温条件下还会产生一定的分解，导致界面结合力低。因此在产品的服役过程中，增强相容易从基体材料中脱落，失去增强作用，导致金属基复合材料迅速失效。另一种是在制备的粉末材料中加入能够进行化学反应而原位生成增强相，这种制备方法通常称为原位合成法。相比较外加法，原位合成技术具有一系列优异的性能，如基体中的增强相是热力学稳定的；增强相与基体材料之间的界面洁净；原位合成的增强相在金属基复合材料中分布均匀；在合适的工艺条件下，涂层内部的气孔与裂纹大大降低甚至无气孔及裂纹；增强相与基体材料之间可以实现最优匹配等。
在传统的激光熔覆原位合成碳化物增强金属基复合材料方法中，通常是将碳粉末或石墨粉末按照一定比例和金属粉末或金属碳化物粉末混合后，涂覆在清洁后的金属基体上，然后采用激光热源将预制好的涂层快速熔覆，在激光快速热源的作用下，材料组织快速熔融后急速冷却，在此过程中，材料组织中的碳粉末或石墨粉末和金属粉末或金属碳化物粉末反应生成原位的碳化物粉末。在制备过程中会析出脆性较大的 MxCy碳化物，降低了涂层的增强特性；析出的碳化物扩散溶解到基体材料中，降低了金属基体相的韧性，因此与基体的界面结合力大大降低，在摩擦过程中会脱落涂层表面，从而恶化了涂层的性能。
传统激光熔覆在制备原位合成碳化物增强金属基复合材料过程中，由于增强相的催脆性较大，导致涂层的断裂韧性较低，面对应力载荷时容易发生脆性断裂，通过石墨烯这种二维材料对涂层的增韧是提高涂层断裂韧性行之有效的方法。石墨烯是单原子厚度的石墨，是碳原子以SP2杂化键合而成的蜂窝状二维材料，石墨烯作为结构材料增强体的优势在于其优异的机械性能和独特的物理/化学性能，例如，其拉伸强度可达130GPa，杨氏模量和弹性模量分别高达1100GPa、0.5~1TPa，赋予了优于碳纳米管等其他碳同素异形体材料的众多优势，因此，石墨烯是理想的陶瓷碳化物增韧材料；然而，与石墨烯极为优异的力学性能相比，其增韧的陶瓷材料虽然断裂韧性有所增长，但增长幅度还不是很高，这主要是由于复合材料中石墨烯层的可控分散和定向极为困难，二维石墨烯之间存在较强的范德华力，导致基体团聚；石墨烯填充剂与基体之间缺乏粘结，导致载荷传递效率低下，导致力学性能较差；并且石墨烯的加价极为昂贵，大规模工业应用难以承受。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种降低厂家成本、提高力学性能的以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述方法步骤为：
步骤1：将陶瓷A的前躯体与材料B的前驱体按照1:3的比例在去离子水中混合搅拌；
步骤2：在步骤1中的混合料中分多次加入膨胀石墨，超声分散3小时；
步骤3：将步骤2中的混合液抽滤烘干，得到混合粉末；
步骤4：将步骤3中的混合粉末与增强机体材料按照比例在球磨机上球磨，混合粉末占比为1-40wt.%；
步骤5：将步骤4中的粉末进行100℃的真空混干处理；
步骤6：将步骤5中的粉末与已配好的阿拉伯胶水溶液进行混合，调制成糊状，均匀涂敷在基体表面；
步骤7：涂敷完毕后，对涂敷层进行150℃烘干，烘干时间为2小时；
步骤8：对涂敷层进行预热处理，通过激光高温加热熔融形成涂层；
所述步骤1中的陶瓷A为碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒或碳化硅，材料B为与陶瓷A相对应的钨、钛、铬、钒或硅；
所述步骤4中的增强基体材料为镍基合金、铝基合金、钛基合金或铜基合金。
本发明一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述步骤3中的烘干温度为75℃。
本发明一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述步骤4中球磨机的转速为300 r/min，球磨时间为40分钟。
本发明一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述步骤4中，采用轻质的玛瑙球作为球磨介质，并在氩气保护下进行球磨。
本发明一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述步骤6中，涂敷层厚度为 2-3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法通过廉价的膨胀石墨替代昂贵的石墨烯作为碳源，节省了厂家成本，减少经济压力；本发明在原位合成金属碳化物增强涂层的基础上，膨胀石墨在加热过程中，石墨层层间空间被扩大，在有机偶联剂的作用下，陶瓷材料可插入层间空间，通过这种方式，陶瓷层和石墨烯层可以在分子水平上交替混合和堆积，最终形成分散均匀、排列有序的石墨烯层的复合材料涂层，偶联剂的使用使基体与填料之间的结合更加紧密，有效地传递了载荷，提高了力学性能。
具体实施方式
本发明涉及的一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，所述方法步骤为：
步骤1：将陶瓷A的前躯体与材料B的前驱体按照1:3的比例在去离子水中混合搅拌；
步骤2：在步骤1中的混合料中分多次加入膨胀石墨，超声分散3小时；
步骤3：将步骤2中的混合液抽滤烘干，得到混合粉末；
步骤4：将步骤3中的混合粉末与增强机体材料按照比例在球磨机上球磨，混合粉末占比为1-40wt.%；
步骤5：将步骤4中的粉末进行100℃的真空混干处理；
步骤6：将步骤5中的粉末与已配好的阿拉伯胶水溶液进行混合，调制成糊状，均匀涂敷在基体表面；
步骤7：涂敷完毕后，对涂敷层进行150℃烘干，烘干时间为2小时；
步骤8：对涂敷层进行预热处理，通过激光高温加热熔融形成涂层；预热处理能够提高涂层成型质量，减少裂纹发生；
所述步骤1中的陶瓷A为碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒或碳化硅，材料B为与陶瓷A相对应的钨、钛、铬、钒或硅；
所述步骤4中的增强基体材料为镍基合金、铝基合金、钛基合金或铜基合金；
进一步的，所述步骤3中的烘干温度为75℃；
进一步的，所述步骤4中球磨机的转速为300 r/min，球磨时间为40分钟；
进一步的，所述步骤4中，采用轻质的玛瑙球作为球磨介质，避免球磨过程中冲击力过大，并在氩气保护下进行球磨；
进一步的，所述步骤6中，涂敷层厚度为 2-3mm。
注：“前驱体”是用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合料。
另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：
步骤1：将陶瓷A的前躯体与材料B的前驱体按照1:3的比例在去离子水中混合搅拌；
步骤2：在步骤1中的混合料中分多次加入膨胀石墨，超声分散3小时；
步骤3：将步骤2中的混合液抽滤烘干，得到混合粉末；
步骤4：将步骤3中的混合粉末与增强基体 材料按照比例在球磨机上球磨，混合粉末占比为1-40wt.%；
步骤5：将步骤4中的粉末进行100℃的真空混干处理；
步骤6：将步骤5中的粉末与已配好的阿拉伯胶水溶液进行混合，调制成糊状，均匀涂敷在基体表面；
步骤7：涂敷完毕后，对涂敷层进行150℃烘干，烘干时间为2小时；
步骤8：对涂敷层进行预热处理，通过激光高温加热熔融形成涂层；
所述步骤1中的陶瓷A为碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化钒或碳化硅，材料B为与陶瓷A相对应的钨、钛、铬、钒或硅；
所述步骤4中的增强基体材料为镍基合金、铝基合金、钛基合金或铜基合金。
2.根据权利要求1所述的一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的烘干温度为75℃。
3.根据权利要求1所述的一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中球磨机的转速为300 r/min，球磨时间为40分钟。
4.根据权利要求1所述的一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，采用轻质的玛瑙球作为球磨介质，并在氩气保护下进行球磨。
5.根据权利要求1所述的一种以膨胀石墨为碳源原位合成碳化物增强增韧金属基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，涂敷层厚度为 2-3mm。
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