CN1546720A - 一种钛-铁-碳系反应喷涂复合粉末及其制备工艺 - Google Patents

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一种钛－铁－碳系反应喷涂复合粉末及其制备工艺，属于金属陶瓷复合涂层制备技术中的制粉工艺。本发明提出采用碳的前驱体，经过一定温度下的碳化，形成原料粉末周围被碳包覆的Ti－Fe－C系反应喷涂复合粉末。复合粉末的成分以质量质量百分数计，Ti：36.5％～52％，Fe：23％～58％，C：9～13％，合金元素质量百分数为Cr：0～14％，Ni：0～10％，Mo：0～2％，Si：0～2％，B：0～0.5％。具体的工艺过程是，原料粉末按配比混合球磨→混合粉末烘干→混合粉末与石油沥青加热搅拌混合→碳化→破碎筛分，这将解决目前反应热喷涂制备碳化物金属复合涂层时的反应喷涂粉末中反应组元分离问题，提高碳化物金属反应喷涂复合涂层的质量。

Description

一种钛-铁-碳系反应喷涂复合粉末及其制备工艺
技术领域：
本发明属于金属陶瓷复合涂层制备技术中的制粉工艺，特别涉及到TiC/Fe合金金属-陶瓷复合涂层。
背景技术：
金属陶瓷复合涂层，尤其是以碳化物为增强相的金属陶瓷复合涂层在航空、航天、冶金、矿山、石油和化工等领域中的耐磨构件的制造和修复中具有广泛的用途；耐高温碳化物(TiC、Cr2C3等)与耐氧化、耐腐蚀的合金(镍基耐蚀合金、铁基耐蚀合金等)所组成的复合涂层由于同时兼有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能，在冶金、热电厂等领域有更重要的应用价值。目前，以碳化物为增强相的金属陶瓷复合涂层中的陶瓷相通常采用外加复合的方式预制在喷涂原材料(粉末、丝材等)中，涂层中陶瓷相分布不均匀，粒度较粗大，陶瓷/金属结合界面易受污染，这将大大影响涂层的性能。近年来产生了一种制备金属陶瓷的新方法——反应热喷涂，它将SHS技术和热喷涂相结合，利用粉末和粉末之间的放热反应，在喷涂过程中同时完成材料的合成和沉积。原位反应合成过程中放出的反应热，可以提高喷涂温度，降低涂层的孔隙率，改善涂层与基体结合；而且原位合成的硬质相为细小的圆形颗粒，分散均匀，硬质相与金属基体的结合界面洁净。因此反应热喷涂克服了传统喷涂金属陶瓷工艺的缺点，在制备金属陶瓷复合涂层方面具有不可比拟的优势。
近年来国内外在金属陶瓷复合涂层反应热喷涂方面已有相当的研究，尤其是对TiC/Fe合金复合涂层的研究。在2000年J Uni Sci Technol Beijing的第3期中叙述了利用反应火焰喷涂制备了TiC/Fe复合涂层；在2002年粉末冶金技术的20卷，第4期中介绍了利用反应火焰喷涂制备了TiC/FeAl复合涂层。但其采用的反应喷涂粉末都是简单的机械混合粉或团聚粉(添加少量的粘结剂制粒)，在高速焰流作用下反应组元容易分离，造成相当一部分组元粉末无法充分反应，导致涂层中残留有害相，涂层的组织不均匀，涂层质量不稳定，使反应热喷涂技术未真正在工程实际中获得全面的应用。因此，能够确保喷涂过程中反应组元间充分反应的反应喷涂复合粉末制备技术已经成为获得优质反应热喷涂涂层的技术关键。
发明内容：
本发明针对反应热喷涂制备TiC/Fe合金金属陶瓷复合涂层中存在的反应组元分离，组元粉末无法充分反应，使涂层的组织不均匀，涂层质量不稳定的问题，提出采用碳的前驱体，经过一定温度下的碳化，形成原料粉末周围被碳包覆的Ti-Fe-C系反应喷涂复合粉末。这将解决目前反应热喷涂制备碳化物复合涂层时的反应喷涂粉末中反应组元分离问题，提高碳化物金属反应喷涂复合涂层的质量。
本发明中Ti-Fe-C系反应喷涂复合粉末利用碳的前驱体作为碳源，复合粉末的成分组成按质量百分数计，以纯钛粉和钛铁粉两种方式加入的Ti：36.5％～52％，Fe：23％～58％，C：9～13％，合金元素质量百分数为Cr：0～14％，Ni：0～10％，Mo：0～2％，Si：0～2％，B：0～0.5％。
本发明的工艺过程为：原料粉末按配比混合球磨→混合粉末烘干→混合粉末与石油沥青加热搅拌混合→碳化→破碎筛分。其具体工艺参数为：先将原料粉末按球磨与球料比为3∶1～6∶1的配比混合球磨12～72小时；在45～60℃范围内混合粉末，并烘干12～24小时；将混合粉末与石油沥青加热到300～400℃搅拌混合，石油沥青质量百分数为21％～34％；在氮气保护的热处理炉中，温度550～650℃下，进行碳化处理0.5～2小时；对粉末破碎筛分。
球磨时，球磨机转速为100～150r.p.m，球磨方式为湿磨，球磨介质为酒精。
本发明最大特点是由碳的前驱体在一定温度下经碳化而获得，形成碳包覆在原料粉末周围的包覆结构，原料粉末与碳的粘结强度高，在喷涂过程中不易分离，有利于反应的完成。球磨是为了使原料粉末粒度降低，利于喷涂过程中的原位反应；碳化过程中的氮气保护可以防止碳化过程中原料粉末氧化和合金元素的烧损；同时控制温度和时间，可防止在碳化过程中提前生成TiC，从而改善涂层的性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明制备的Ti-Fe-C系反应喷涂复合粉末中形成碳包覆在原料粉末周围的包覆结构，原料粉末与碳的粘结强度高，在喷涂过程中不易分离，有利于反应的完成。
2、制备的热喷涂涂层中无有害相残留，且组织均匀。涂层表面硬度(HRC)在55以上，耐磨性优于常规Ni60耐磨涂层。
附图说明：
图1为Ti-Fe-C反应喷涂复合粉末结构照片。
图2为复合涂层背散射形貌。
图3为复合涂层涂层的XRDP。
从图1Ti-Fe-C反应喷涂复合粉末结构照片中可以看到制备的Ti-Fe-C反应喷涂复合粉末中，形成碳包覆在细小原料粉末周围的包覆结构，原料粉末与碳的粘结强度高，在喷涂过程中不易分离，有利于反应的完成；从图2复合涂层背散射形貌中可以看到，所获涂层具有典型的热喷涂形貌，且组织均匀；从图3复合涂层的XRD结果中可以看到，所获涂层成分简单，无有害相残留。
具体实施方式：
本发明所采用的原料是Fe粉、Ti粉和TiFe粉、合金元素粉和石油沥青。所制备的Ti-Fe-C系反应喷涂复合粉末成分如表1所示，选用的原料粉末成分如表2所示。
其具体工艺流程为：
1、将原料粉末按成分配比混合，然后在球磨机上湿磨24小时，球料比为3∶1，球磨机转速为120r.p.m，球磨介质是酒精，球磨平均粒度为6～7μm；
2、将球磨后的混合粉末在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃，烘干时间为12小时；
3、将石油沥青加热到350℃，将烘干的混合粉末按成分配比加入到液态石油沥青中并且充分搅拌；
4、将搅拌均匀的物料放入烧舟中，然后在氮气保护热处理炉中在一定温度下进行碳化处理2小时；
5、将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，筛分，制备出要求粒度的喷涂粉末。
表1给出了本发明的几个优选实施例：
                                              表1优选实施例
            优选实施例   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   实施例6   实施例7
    Ti-Fe-C系反成 应分 喷涂复合粉末     Ti质量百分数(％)   37.3   37.3   50.3   50.3   41.5   41.5   41.5
    Ti的加入方式   纯钛粉   1#钛铁粉 纯钛粉   2#钛铁粉   1#钛铁粉 纯钛粉   2#钛铁粉
    Fe质量百分数(％)   53.6   41.3   37.1   24.8   23.1   23.1   23.1
    C质量百分数(％)   9.1   9.1   12.6   12.6   10.4   10.4   10.4
  合金元素质量百分含量(％)     Cr   0   6   0   6   12.4   12.4   12.4
    Ni   0   4   0   4   8.2   8.2   8.2
    Mo   0   1   0   1   2   2   2
    Si   0   1   0   1   2   2   2
    B   0   0.3   0   0.3   0.4   0.4   0.4
石油沥青的质量百分比(％)   21.3   21.3   32.5   32.5   25.0   25.0   25.0
碳化工艺参数   温度(℃)   550   550   650   650   550   550   550
保温时间(h)   2   2   2   2   2   2   2
喷涂方式   乙炔焰喷涂   乙炔焰喷涂   等离子喷涂   等离子喷涂   乙炔焰喷涂   乙炔焰喷涂   等离子喷涂
         涂层表面洛氏硬度   59.5   60.1   60.8   62.7   57.5   59.1   62.1
     涂层耐磨性能(与常规Ni60涂层比较)   4倍   5倍   3倍   3倍   8倍   7倍   12倍
表2原料粉末的化学成分(％)
Figure A20031011726200061
综上所述，采用本发明的方法制备的Ti-Fe-C系反应喷涂复合粉末，可以制备出硬度和耐磨性良好的金属陶瓷复合涂层。

Claims (3)

1、一种钛-铁-碳系反应喷涂复合粉末，其特征在于利用碳的前驱体作为碳源，复合粉末的组成成分按质量百分数计为：以纯钛粉和钛铁粉两种方式加入的Ti：36.5％～52％，Fe：23％～58％，C：9～13％，合金元素质量百分数为Cr：0～14％，Ni：0～10％，Mo：0～2％，Si：0～2％，B：0～0.5％。
2、一种制备钛-铁-碳系反应喷涂复合粉末的工艺，包括以下步骤：
1)将原料粉末按球磨与球料比为3∶1～6∶1的配比混合球磨12～72小时；
2)在45～60℃范围内混合粉末，并烘干12～24小时；
3)将混合粉末与石油沥青加热到300～400℃搅拌混合，石油沥青质量百分数为21％～34％；
4)在氮气保护的热处理炉中，温度550～650℃下，进行碳化处理0.5～2小时；
5)对粉末破碎筛分。
3、如权利要求2所述的制备钛-铁-碳系反应喷涂复合粉末的工艺，其特征在于球磨机转速为100～150r.p.m，球磨方式为湿磨，球磨介质为酒精。
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