CN115287573B - 铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层的制备方法 - Google Patents

铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层的制备方法，其粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：Mn：10～15％；Cr：8～15％；Ni：1～5％；Al2O3/B4C：25～35％；余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带；将原料轧制成粉芯丝材，并采用上述粉芯丝材配比制成的丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的Q235钢基体上制备涂层。在Q235钢基体上可以形成连续且致密的喷涂涂层，有良好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能，涂层的孔隙率低、硬度高。

Description

铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层的 制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料及材料加工工程技术领域，涉及铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及制备方法。
背景技术
磨粒磨损是最常见的一种磨损形式，典型的磨粒磨损大多发生在机械设备、装备上，影响了机械设备、装备的稳定性和安全性，造成了巨大的经济损失，每年因磨粒磨损造成的损失约占全部磨损损失的50％，因此对耐磨粒磨损材料的研究尤为重要。耐磨粒磨损涂层是基体在长期磨粒磨损的工作环境下，提高工作寿命及稳定性的一种保护涂层，硬度是表征该涂层的耐磨粒磨损性能的主要参数。热喷涂技术是制备耐磨粒磨损涂层较为成熟完整的技术体系，包括高速电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂在内的多种技术广泛用于制备高硬度耐磨涂层。其中，高速电弧喷涂技术操作简单，便于现场喷涂且成本更低，可以及时高效地完成对失效机械设备、装备的修复和防护。
高速电弧喷涂技术利用导电丝材短接产生的电弧为热源，将喷涂材料加热，受热的喷涂材料形成熔融或半熔融状态的微粒，这些微粒以一定的速度冲击并沉积在基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。喷涂材料有粉、丝、带和棒等不同形态，其中，粉芯丝材应用最为广泛。目前，常用的丝材大多为陶瓷或硬质合金的粉芯丝材。晁拥军等人(《材料热处理学报》2012,33(3):137-141)通过高速电弧喷涂制备了FeMnCrNiAl/Cr3C2复合涂层，该涂层具有较高的结合强度、显微硬度和耐磨性能。罗兴等人(《表面技术》2018,47(7):191-196)通过高速电弧喷涂制备了添加有Al2O3颗粒的AlMg复合涂层，该涂层结构致密、缺陷少，具有良好的抗冲击性能和耐磨性能。而北京工业大学贺定勇等人(专利号：201810739756.6中国、专利号：201810739750.9中国、专利号：201810741571.9中国)，暨南大学于振涛等人(专利号：202010746042.5中国)同样报道了含陶瓷颗粒的高速电弧喷涂粉芯丝材。但是，现阶段研究大多为添加单相陶瓷颗粒，而少有添加多相陶瓷颗粒并考虑其交互作用的粉芯丝材。
因此，本发明的目的在于提供一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法。目前为止未见到高速电弧喷涂制备粉芯丝材成分为FeMnCrNi-Al2O3/B4C涂层方面的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材和涂层及其制备方法，该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材采用高速电弧喷涂方式将所制粉芯丝材喷射到Q235钢基体上，可以形成连续且致密的喷涂涂层，有良好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能，涂层的孔隙率低、硬度高。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：Mn：10～15％；Cr：8～15％；Ni：1～5％；Al2O3/B4C：25～35％；余量Fe。
采用上述技术方案，通过Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末的性能协调作用，从而获得了具有更好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材，并可将该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材制备涂层材料。其中，Fe在地壳中含量较高，Fe基合金具有优异的耐磨性，适合于制备严苛环境下的表面强化涂层；Mn是铁锰系中稳定奥氏体的元素，具有很强的加工硬化能力，从而提高耐磨性；Cr具有提高体系刚度、强度和耐磨性的特点；Ni具有耐高温氧化性能，在喷涂过程中不容易发生氧化和烧损，在涂层成分中加入Ni有利于提高涂层机械性能，改善其孔隙率，有利于提高涂层致密度。B4C陶瓷具有超高的硬度和良好的物理化学性能，已作为耐磨材料被广泛应用工业领域；通过在涂层材料中加入B4C，可显著改善涂层的力学性能与摩擦磨损性能；同时Al2O3陶瓷的机械强度高、耐磨性好、热稳定性好，并且可以与B4C陶瓷形成B4C-氧化物复合陶瓷，可以进一步提高材料性能。
作为本发明的优选技方案，所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3。
作为本发明的优选技方案，所述包覆层为308不锈钢带。
本发明还要解决的技术问题是，提供一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入其中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材。
作为本发明的优选技方案，所述步骤S4中将将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材。
作为本发明的优选技方案，所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按28％～32％的填充率填入U形不锈钢带中。
作为本发明的优选技方案，所述步骤S4获得的粉芯丝材的直径为2mm。
本发明还要解决的技术问题是，提供一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.6～0.7MPa，喷涂电压：38～44V，喷涂电流：170～230A，喷涂距离：120～180mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂4～6次，获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层。对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力。
作为本发明的优选技方案，所述步骤(2)获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
作为本发明的优选技方案，所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明采用的高速电弧喷涂技术操作简单，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，相比于其他喷涂方式成本最低；
(2)获得力学性能和耐磨损性能优异的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层，适用于在严重磨损等恶劣工况下工作的零部件，易于产业化，应用前景广阔；
(3)通过添加Al2O3/B4C复合陶瓷，能够发挥Al2O3/B4C复合陶瓷本身优异的力学性能，从而提高该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材复合材料的耐磨性能；
(4)采用高速电弧喷涂技术，在基体上制备的复合涂层孔隙率≤3％，维氏硬度为1400HV0.1-1600HV0.1；
(5)本发明中粉芯丝材中添加的合金粉末价格低廉，成本较低。
附图说明
图1是本发明实施例1的涂层表面SEM形貌图；
图2是本发明实施例1的涂层截面SEM形貌图；
图3是本发明实施例1的涂层截面(即图2)中区域Ⅰ、Ⅱ的EDS分析；
图4是本发明实施例1的涂层表面XRD表征图谱；
图5是本发明实施例4的涂层DSC分析。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：Mn：10～15％；Cr：8～15％；Ni：1～5％；Al2O3/B4C：25～35％；余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛100目，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入U形不锈钢带中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；具体地，所述步骤S4中将所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按28％～32％的填充率填入U形不锈钢带中；再将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；获得的粉芯丝材的直径为2mm。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力；所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.6～0.7MPa，喷涂电压：38～44V，喷涂电流：170～230A，喷涂距离：120～180mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂4～6次，获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层；获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
具体实施例1：
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：10％Mn、8％Cr、2％Ni、35％Al2O3/B4C、余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛100目，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入U形不锈钢带中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；具体地，所述步骤S4中将所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按28％的填充率填入U形不锈钢带中；再将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；获得的粉芯丝材的直径为2mm。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力；所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.6MPa，喷涂电压：38V，喷涂电流：170A，喷涂距离：180mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂6次，获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层；获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
对比实施例1：
该对比实施例1提供了一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为308不锈钢带，所述粉芯的填充率为28％；取粉芯的物质及其质量百分比为：10％Mn、8％Cr、2％Ni、35％Al2O3/B4C、余量Fe；轧制成粉芯丝材。
采用上述粉芯丝材配比制成的丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的Q235钢基体上制备涂层，所用的工艺参数为：空气压力：0.7MPa，喷涂电压：33V，喷涂电流：160A，喷涂距离：150mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂6次。
具体实施例2：
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：13％Mn、11％Cr、3％Ni、30％Al2O3/B4C、余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛100目，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入U形不锈钢带中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；具体地，所述步骤S4中将所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按30％的填充率填入U形不锈钢带中；再将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；获得的粉芯丝材的直径为2mm。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力；所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.65MPa，喷涂电压：41V，喷涂电流：200A，喷涂距离：160mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂5次；获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层；获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
对比实施例2：
该对比实施例2提供了一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为308不锈钢带，所述粉芯的填充率为30％；取粉芯的物质及其质量百分比为：13％Mn、11％Cr、3％Ni、30％Al2O3/B4C、余量Fe；轧制成粉芯丝材。
采用上述粉芯丝材配比制成的丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的Q235钢基体上制备涂层，所用的工艺参数为：空气压力：0.65MPa，喷涂电压：33V，喷涂电流：180A，喷涂距离：200mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂5次。
具体实施例3：
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：15％Mn、15％Cr、5％Ni、25％Al2O3/B4C、余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛100目，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入U形不锈钢带中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；具体地，所述步骤S4中将所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按32％的填充率填入U形不锈钢带中；再将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；获得的粉芯丝材的直径为2mm。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力；所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.7MPa，喷涂电压：44V，喷涂电流：230A，喷涂距离：120mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂4次；获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层；获得的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的厚度为0.4～0.8mm。
对比实施例3：
该对比实施例3提供了一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为308不锈钢带，所述粉芯的填充率为32％；
取粉芯的物质及其质量百分比为：15％Mn、15％Cr、5％Ni、25％Al2O3/B4C、余量Fe；轧制成粉芯丝材。
采用上述粉芯丝材配比制成的丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的Q235钢基体上制备涂层，所用的工艺参数为：空气压力：0.7MPa，喷涂电压：37V，喷涂电流：180A，喷涂距离：250mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂4次。
具体实施例4：
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：15％Mn、8％Cr、5％Ni、30％Al2O3/B4C、余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛100目，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入U形不锈钢带中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；具体地，所述步骤S4中将所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按32％的填充率填入U形不锈钢带中；再将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；获得的粉芯丝材的直径为2mm。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力；所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.6MPa，喷涂电压：41V，喷涂电流：230A，喷涂距离：150mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂6次；获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层；获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
(3)涂层后处理：采用KF1400箱式加热炉将喷涂得到的涂层在炉内以450℃、升温速率5C/min的温度热处理2小时。
对比实施例4：
该对比实施例4提供了一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为308不锈钢带，所述粉芯的填充率为32％；
取粉芯的物质及其质量百分比为：15％Mn、8％Cr、5％Ni、30％Al2O3/B4C、余量Fe；轧制成粉芯丝材。
采用上述粉芯丝材配比制成的丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的Q235钢基体上制备涂层，所用的工艺参数为：空气压力：0.6MPa，喷涂电压：41V，喷涂电流：230A，喷涂距离：150mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂6次；以650℃、升温速率5℃/min的温度热处理2小时。
具体实施例5：
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：15％Mn、8％Cr、5％Ni、30％Al2O3/B4C、余量Fe；所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3；所述包覆层为308不锈钢带。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛100目，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入U形不锈钢带中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；具体地，所述步骤S4中将所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按32％的填充率填入U形不锈钢带中；再将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材；获得的粉芯丝材的直径为2mm。
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；对基体表面进行预处理的目的是为了去除基体表面的锈蚀物，并且使基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，提高涂层的附着力；所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.6MPa，喷涂电压：41V，喷涂电流：230A，喷涂距离：150mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂6次；获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层；获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
(3)涂层后处理：采用KF1400箱式加热炉将喷涂得到的涂层在炉内以550℃、升温速率5℃/min的温度热处理2小时。
对比实施例5：
该对比实施例5提供了一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法，所述粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述包覆层为308不锈钢带，所述粉芯的填充率为32％；
取粉芯的物质及其质量百分比为：15％Mn、8％Cr、5％Ni、30％Al2O3/B4C、余量Fe；轧制成粉芯丝材。
采用上述粉芯丝材配比制成的丝材，在经过除油除锈喷砂粗化的Q235钢基体上制备涂层，所用的工艺参数为：空气压力：0.6MPa，喷涂电压：41V，喷涂电流：230A，喷涂距离：150mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂6次；以750℃、升温速率5℃/min的温度热处理2小时。
成分、结构和性能表征：
(1)成分、结构分析：
1)扫描电镜分析：将本发明实施例1-5和对比例1-5所得的粉芯丝材进行扫描电镜分析，均得到相同的形貌。图1为实施例1的电弧喷涂涂层SEM形貌，从图1中可以看出，涂层表面呈熔滴铺展后的平整区域和冷凝后形成的凸起区域共存的状态。图2为实施例1的电弧喷涂涂层截面形貌，从图2中可以看出，涂层呈层状结构，其组织均匀，结构致密，经灰度法分析涂层的孔隙率为2.36％，且涂层与基体机械咬合紧密，结合较好。
2)EDS成分表征分析：图3为实施例1的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的截面区域I、II的EDS分析(即图2中的区域I、II截面的EDS分析)，从图3中可以看出浅灰色区域I主要含有76.85％的Fe元素和14.77％的Cr元素。Mn、Ni、Al的含量较少，因此该区域是以Fe-Cr的金属化合物为主的合金相；深灰色区域II主要含有35.8％的Ni元素、30.06％的Fe元素以及27.78％的Mn元素，Cr与Al含量较少，应该为Fe、Mn、Ni的金属化合物。
3)XRD表征分析：图4为实施例1的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的表面XRD图谱，从图4可以发现明显的晶体峰和45°处的“馒头峰”，表明涂层主要为晶体涂层但含有少量的非晶成分。该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层主要由α-Fe相、Fe-Cr相、(Fe-Cr)固溶体相、Al2O3和B4C相组成；其中，Al元素的存在促进了α-Fe相的生成，B、C元素在固溶体中造成晶格畸变，起到固溶强化的作用，提高涂层的承载能力。
4)DSC表征分析：图5为实施例4的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的DCS分析，从图4可知曲线稳定后，第一个放热峰出现在460℃，涂层的TG曲线变化不大，说明铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的中存在少量非晶态相。由于非晶相在热力学上是亚稳态的，在高温作用下，系统的自由能降低，非晶相向更稳定的晶态转变。在719℃出现吸热峰，并伴有显著增重，表明涂层内部发生了再形核和形核生长，涂层中活性较高的Fe元素与O发生反应，导致涂层增重显著。
(2)性能测试：性能测试包括孔隙、硬度、磨损率。将实施例1-3和对比实施例1-3所制备的涂层利用ImageJ软件经灰度测试法计算涂层孔隙率，每个实施例选取10个区域进行计算，结果取其平均值；利用Duramin-40 A1型显微硬度计测量涂层硬度，载荷为100g，加载时间15s；利用CFT-I型材料表面性能综合测试仪测试涂层的摩擦磨损性能，对磨件为直径4mm的Si3N4，载荷8N，往复速度500t/min，试验时间30min，往复行程4mm；性能测试数据如表1所示。
表1实施例的孔隙率、硬度以及磨损率
合理的工艺参数是保证涂层具备良好性能的基础，其中喷涂电压、喷涂电流和喷涂距离能够影响喷涂过程中熔融粒子的温度、尺寸分布、飞行速度以及熔融粒子飞行过程中的氧化率，从而导致涂层的致密度、均匀性和应力分布的不同，并间接影响涂层孔隙率、硬度和耐磨性等性能。同时，在合理的温度下对涂层进行热处理也会提高涂层的致密度，降低涂层的孔隙率。从上述性能测试结果可知，按照本发明的规范制成的粉芯丝材能够在Q235钢基体上形成连续、致密的电弧喷涂涂层，并且具有孔隙率低、硬度高、耐磨性好的优点，可以大规模应用于零部件的表面耐磨等工艺领域。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于，该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材由包覆层和粉芯组成，所述粉芯的配方按质量百分比包括：Mn：10～15％；Cr：8～15％；Ni：1～5％；Al2O3/B4C：25～35％；余量Fe；
该铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：按配比称取Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末；
S2：将Mn、Cr、Ni、Fe粉末和Al2O3/B4C复合陶瓷粉末混合，在混料机中进行混匀，得到混合粉末；
S3：将混合后的粉末过筛，得到粉芯粉末；
S4：将不锈钢带扎成U形，再将所述步骤S3得到的粉芯粉末填入其中；然后将U形不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，再送入拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材。
2.根据权利要求1所述的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于，所述Al2O3/B4C中的Al2O3与B4C的质量百分比为2:3。
3.根据权利要求1所述的铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于，所述包覆层为308不锈钢带。
4.根据权利要求3所述铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于，所述步骤S4中将U形308不锈钢带闭合，包覆住粉芯粉末，使其按照顺序分别通过直径为：3.0mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模具，逐道拉拔、减径，获得粉芯丝材。
5.根据权利要求4所述铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材其特征在于，所述步骤S4中将宽12mm、厚0.3mm的308不锈钢带扎成U形，再将得到的粉芯粉末按28％～32％的填充率填入U形不锈钢带中。
6.根据权利要求4所述铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材，其特征在于，所述步骤S4获得的粉芯丝材的直径为2mm。
7.一种如权利要求1-6任一项铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)对基体表面进行预处理：采用无水乙醇或丙酮去除基体表面的污渍和油渍，然后铁砂对基体表面进行喷砂粗化处理；
(2)制备涂层：采用高速电弧喷涂技术将粉芯丝材喷涂在预处理过的基材上制备涂层，喷涂工艺参数：空气压力：0.6～0.7MPa，喷涂电压：38～44V，喷涂电流：170～230A，喷涂距离：120～180mm；采用间歇式喷涂方法，重复喷涂4～6次，获得铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层。
8.根据权利要求7所述铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)获得的丝材涂层的厚度为0.4～0.8mm。
9.根据权利要求8所述铁基含Al2O3/B4C复合陶瓷的高速电弧喷涂粉芯丝材的涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的基体为Q235钢基体；喷砂粗化处理的铁砂为16～18目。
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