CN1554798A - 等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法 - Google Patents

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曾毅
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Abstract

本发明涉及一种等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，属于无机涂去材料领域。其特征在于采用保护罩对碳化硼粉末进行喷涂；所述的保护罩呈圆柱状，其前端与喷枪相连，其后端将等离子焰的前面部分包围，保护罩的上部与惰性气体相连，惰性气体通过保护罩圆柱端面上均匀分布小孔喷出。本发明创新之外在于使用了独特设计的保护罩，并通过对工艺参数的优化而制备出性能优异的B4C涂层材料，从而大大降低了B4C涂层的制备成本。

Description

等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层材料新的制备方法，更确切地说涉及的是在不锈钢基体上沉积碳化硼涂层材料的制备方法，属于涂层材料领域。
背景技术
碳化硼(B4C)是一种共价键极强的非氧化物陶瓷，它具有许多优良的性能。利用它的高硬度，可将其粉末制成磨料，经烧结成型制成耐磨喷砂嘴或研磨轮；利用其低密度、高弹性模量等性能可制作轻质装甲；碳化硼具有高的热中子吸收截面，可以以粉末或芯块形式装在不锈钢包壳中，构成核反应堆的控制或屏蔽元件；它更重要的一个用途是利用其优异的化学稳定性、较好的高温稳定性以及低密度、抗辐照等特点，作为核反应堆的第一壁材料(Valenza，D.，H. Greuner，S.Koetterl and H.Bolt；Development andCharacterization of B4C Coatings for Plamsa Facing Applications of Wendelstein7-X Fusion Experimental Device.Proc.Materials Week(2000)，paper 427)。在国外许多托克马克中碳化硼涂层已经取代传统的高熔点金属及其合金，成功应用于核反应堆作为第一壁材料(Bolt，H.，M.Araki，J.Linke，W.Mallener，K.Nakamura，R.W.Steinbrech，and S.Suzuki；Heat Flux Experiments on First WallMock-ups Coated by Plasma Sprayed B4C.J.Nucl.Mater.223-237(1996)，pp.809-813)。
碳化硼涂层在实际使用过程中，无论是作为耐磨涂层还是作为第一壁材料，其能否快速修复都是选择涂层制备方式的重要标准。而等离子喷涂的一个重要特点就是能很快完成对已破坏或变薄涂层的修复。因此，目前工业用碳化硼涂层通常采用等离子喷涂的方法。但是碳化硼粉末的高熔点、高比热和高熔融焓使得它在等离子射流中难以熔化的特性，因此等离子喷涂碳化硼涂层难以制备得到致密的涂层。
1993年D.Stover(Riccardi，A.，and A.Pizzuto；ThermomechanicalCharacterization of B4C Vacuum Plasma Sprayed Coatings on Stainless SteelTubular Substrate.J.Mater.Sci.Letters，15(1996)，Issue 14，pp.1234-1236)及其同事首先尝试用大气等离子喷涂的方法制备碳化硼涂层，其结果表明碳化硼粉末在喷涂过程中发生了分解和氧化，且涂层的显微硬度仅为700HV0.1，远远低于碳化硼陶瓷材料的显微硬度。Mallener(邹从沛等，聚变堆第一壁涂层材料，核动力工程，Vol.12(1991)，p35-37)。等于1995年尝试采用高能惰性气体气氛等离子喷涂设备制备碳化硼涂层，他们的研究结果表明：喷涂压力越大，涂层的显微硬度越高，最高可以达到3000HV0.3，接近陶瓷块体的硬度。2002年J.Matejicek(D.Stover，E.Gauthier，Plasma Sprayed B4CCoatings in Controlled Fusion Reaction；Surface Engineering，1993，Vol.9，No.2，211-214)。采用水下等离子喷涂法也制备出了性能较好的碳化硼涂层。综上所述，对等离子喷涂碳化硼涂层影响最大的工艺参数是喷涂压力和喷涂气氛。喷涂压力过小，等离子体射流的能量密度太低，碳化硼粉末的熔融困难，形成的涂层气孔多，硬度低；在大气气氛下喷涂，碳化硼粉末容易氧化分解，也难形成致密涂层。
采用普通大气喷涂设备制备碳化硼涂层成本低，但性能差，无法满足使用要求；采用高能惰性气氛等离子喷涂设备和水下等离子喷涂设备制备的碳化硼涂层性能较好，但成本昂贵。
能否结合上述大气喷涂和高能惰性气氛喷涂两种设备的特点结合起来，开发一种惰性气氛下大气喷涂制备致密碳化硼涂层的方法是本领域技术人员渴望能实现的。遗憾的是，至今在国内外尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，它是一种保护气氛等离子喷涂方法，将粉末喷涂到不锈钢基体上，形成一种高硬度、高弹性模量、低气孔率的碳化硼涂层。本发明提供的制备方法的关键在于惰性气体保护罩的应用，保护罩的示意图如图1所示，由图中可知，保护罩呈圆柱状，其前端与喷枪相连，其后端将等离子体火焰的前面部分包围。保护罩内通有循环水，其作用是防止等离子体火焰的高温将保护罩熔融。保护罩的上部与惰性气体相连，惰性气体将通过保护罩圆柱端面上均匀分布的小孔以一定的压力喷出，从而使惰性气体充满等离子体火焰的较大范围，起到使等离子体火焰中的粉末处于惰性气体气氛下的作用。本发明的具体工艺过程如下：选取颗粒形状为块状、喷涂时可以顺利送粉的商业碳化硼原料，其粒径范围为20-50μm。不锈钢基体的清洗和喷砂是一般等离子喷涂过程中常用的工艺。采用保护罩对碳化硼粉末进行喷涂。所得涂层同起始粉末的XRD结果表明：涂层中氧化硼的含量很少，采用惰性气体保护罩能很好的避免碳化硼粉末在高温下的氧化。等离子喷涂碳化硼涂层的显微硬度采用显微硬度计测得，其平均显微硬度为28Gpa，气孔率采用光学显微镜方法测量，结果为4％；结合强度用ASM方法测得，约为13Mpa。所用的等离子气体Ar流量30-50slpm(标准升/分钟)，H2流量为1-10slpm，粉未载气(Ar)1-5slpm，送粉速率10-15g/min，喷涂距离70-100mn。
本发明的创新之处在于使用了设计独特的保护罩，并通过对工艺参数的优化而制备出了性能优良的碳化硼涂层材料，从而大大降低了碳化硼涂层的制备成本。
附图说明
图1为本发明提供的制备方法中使用的惰性气体保护罩的示意图。
图2起始碳化硼粉末和本发明提供的等离子喷涂碳化硼涂层的XRD图谱。
图3为本发明提供的碳化硼涂层断面SEM形貌。
图4为几种材料在激光冲击下的质量损失。
图5为辐照前B4C和WC涂层的表面形貌。
图6为辐照后B4C和WC涂层的表面形貌。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的特点和效果。
实施例1
利用惰性气体喷涂技术，采用如表1所示的喷涂工艺参数，将20-50μm的碳化硼粉末沉积于已清洗和喷砂的不锈钢基体上。具体是喷枪与图1所示的保护罩前端相连，等离子体火焰前面部分为保护罩所包围保护罩后端循环冷却，等离子气体Ar和H2的混合气通过气体入口进入保护罩并通过圆柱面上均匀分布的小孔喷出。在LPX 150KrF准分子激光器上对WC涂层和本发明提供的碳化硼涂层进行激光辐照实验。实验参数如下：激光波长248nm脉宽为23ns；每个脉冲能量为0.2MJ/m2，采用连续脉冲的轰击方式。图4为几种涂层在激光冲击下的质量损失。由图中可知，B4C涂层的质量损失远远小于其他几种涂层。图5为辐照前WC和B4C涂层表面形貌，图6为辐照后两涂层的表面形貌。由图中可知，轰击后WC涂层表面形貌发生了明显的变化，几乎所有涂层颗粒上都出现了微小气孔，呈针孔状结构；B4C涂层表面未出现明显的结构变化。激光辐照实验的结果表明碳化硼涂层具有优异的力学性能和很好的抗激光辐照性能。
                   表1喷涂工艺参数
         等离子体气体    40slpm  送粉速率12g/min
         Ar
         等离子体气体    5slpm   电流    700A
         H2
         喷涂距离        80mm    电压    69V
         粉末载气Ar      2.5slpm
实施例2
碳化硼涂层具有高硬度、耐腐蚀和耐磨损的特性，可喷涂在柱塞表面或机械密封端面，并在酸性条件下较长时间使用。利用惰性气体喷涂技术，采用如表1所示的喷涂工艺参数，将碳化硼粉末沉积于已清洗和喷砂的不锈钢基体上。将本发明所提供的碳化硼涂层和其他几种常见的耐腐蚀涂层在5％HCL和40％HNO3介质中，在沸腾条件下实验6小时。涂层腐蚀速率采用失重法测量。测量结果如表2所示。结果表明，在弱酸和较强酸条件下，本发明提供的碳化硼涂层具有极好的耐腐蚀性。
   表2  涂层耐酸腐蚀实验结果
涂层材料  质量损失
 5％HCL  40％HNO3
 TiO2  0.27  0.21
 Al2O3  7.02  8.57
 WC  1.27  18.97
 Cr2O3  0.91  0.91
 B4C  0.06  0.11

Claims (6)

1.一种等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，包括等离子气体、喷涂距离、粉末载气；送粉速率的选择，其特征在于采用保护罩对碳化硼粉末进行喷涂；所述的保护罩呈圆柱状，其前端与喷枪相连，其后端将等离子焰的前面部分包围，保护罩的上部与惰性气体相连，惰性气体通过保护罩圆柱端面上均匀分布小孔喷出。
2.按权利要求1所述等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，其特征在于所述的等离子气体为Ar和H2混合，其流量分别为30-50slpm和1-10slpm。
3.按权利要求1所述等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，其特征在于所述的粉末载体为Ar，流量为1-5slpm。
4.按权利要求1所述等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，其特征在于所述的保护罩内通有循环水。
5.按权利要求1所述等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，其特征在于送粉末速率为10-15g/min。
6.按权利要求1所述等离子喷涂碳化硼涂层材料的制备方法，其特征在于喷涂距离70-100mm。
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