CN1962942A - 等离子控制原位生成TiC/金属复合熔覆层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体控制原位生成TiC/金属复合熔覆涂层的方法。其特征是配制预涂涂料，按照TiC的化学计量比，配置石墨和钛粉，与铁基或镍基或钴基粉末混合作为预涂涂料。采用两步法或同步送粉法，其中两步法是将以上混合粉末用有机粘结剂混合均匀，呈糊状，将混合料涂敷在金属表面，用等离子体在预涂混合涂料的金属表面连续扫描，经熔覆后，金属表面得到连续或单道熔覆层。本发明与激光熔覆涂层工艺相比，工艺简单，设备成本低，且无需任何前处理，生产效率高；调节工艺参数可以达到熔覆层不产生脱落、裂纹等缺陷；与常规堆焊、氧－乙炔喷焊、电弧喷焊、等离子喷焊、喷涂工艺相比，等离子体熔覆具有基体变形小、粉末利用率高等特点。

Description

等离子控制原位生成TiC/金属复合熔覆层的方法

技术领域

本发明涉及孤是一种等离子控制原位生成TiC/金属复合熔覆层的方法，属于金属热处理(表面)技术领域。

背景技术

现代工业的迅速发展要求很多零部件在高温、高压、高速或高度自动化的条件下长期稳定地工作，对材料的性能提出了越来越高的要求。选用高合金并采用整体热处理的方法使零部件的性能达到使用要求往往成本大幅度提高。由于材料的磨损、腐蚀仅发生在表面，利用表面工程技术在金属材料表面生成一层性能优异并与基体结合牢固的涂层，使表面具有高的硬度、高的耐磨和耐蚀性，既满足了在恶劣工况下材料的性能要求，又降低了成本，有很好的应用前景。在众多的金属材料表面覆层技术中，熔覆处理技术具有熔覆层厚、成分可调等特点，适合于既需要耐磨又需要耐蚀的工况条件，激光熔覆已得到广泛地研究，但制作成本较高。等离子弧是一种压缩电弧，与激光束相比，具有设备简单，便于操作，容易实现大功率等特点，是一种比较理想的熔覆处理热源。

传统方法制备金属陶瓷增强相的方法大都是以高纯的化工产品为原料，先用气氛保护制备高温合成陶瓷相，再用粉末冶金的方法与金属混合、成型、烧结制得金属陶瓷，工序复杂，流程长，能耗大，成本高，同时由于制备过程中陶瓷相界面的污染而影响陶瓷复合材料的性能，同时烧结过程中还存在陶瓷颗粒与基体合金的湿润性问题。陶瓷增强相的原位生成法属于复合材料制备新工艺，它通过原位反应获得增强相来强化基体，具有工艺简便，操作方便，生成粒子尺寸细小，分布均匀，界面结合良好，热稳定性高等优点，已成功地应用于制备粒子增强铝基复合块体材料，取得良好效果。TiC具有高硬度(2859～3200HV)、高熔点(3150℃)、高模量及较低的反应自由能，作为金属基复合材料中的原位增强相正在得到研究和应用。本发明提出了一种用等离子控制原位生成TiC/金属复合熔覆层的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体控制原位生成TiC/金属复合熔覆涂层的方法。它是在等离子体淬火、等离子体熔凝硬化、等离子体合金化、等离子熔覆的基础上产生的、获得高质量熔覆层的方法。

本发明的技术解决方案：用惰性的等离子体在经过预涂涂层的金属表面扫描实现的，具体步骤如下：

一、首先配制预涂涂料，按照TiC的化学计量比，配置石墨和钛粉，与铁基或镍基或钴基粉末混合作为预涂涂料。涂料的配制方法为：先准备石墨粉和钛粉，按照摩尔比1∶1混合，混合方式分为球磨和非球磨；然后按照5～40％的比例与铁基或镍基或钴基合金混合。

二、采用下列(1)或(2)的方法，在金属表面原位生成TiC/金属基熔覆层：

(1)两步法：首先，将以上混合粉末用有机粘结剂混合均匀，呈糊状，将混合料涂敷在金属表面，厚度视具体要求而定，于常温下空气中干燥或烘干，烘干温度低于100℃。然后，用等离子体在预涂混合涂料的金属表面连续扫描，工艺参数为：电流80-200A，单道扫描宽度1-10mm，喷嘴离工件的距离2-10mm，扫描速度6-30cm/min。经熔覆后，金属表面得到连续或单道熔覆层。所用等离子体是由等离子矩产生的压缩等离子体，引弧方式为高频高压引弧，放电方式为转移式放电，所用的放电及保护气体为非氧化性气体。

(2)同步送粉法：将以上混合粉末用管道侧旁送入到等离子体弧柱中，在等离子体同步扫描时，混合粉末熔化过渡到金属表面，在这一过程中形成TiC颗粒。工艺参数同(1)。

本发明所制备的熔覆层与TiC陶瓷直接加入法不同，差异在于：TiC陶瓷颗粒是在等离子熔覆的过程中原位生成的，陶瓷相与粘结相的界面洁净，无污染、氧化等缺陷，确保两者具有高的结合强度。

本发明产生以下积极效果：

一、预涂涂层经等离子束熔覆后，所含原始粉末中的石墨和钛粉吸收等离子热量，经如下反应原位生成了TiC陶瓷颗粒，C+Ti→TiC。同时，涂层中的粘结相形成非平衡组织，其形态表现为平面晶、树枝晶、胞-枝晶或含有非晶，涂层硬度达到HV_0.2600以上，其硬化机理为：陶瓷相弥散硬化、细晶强化、过饱和固溶强化、非晶强化。熔覆层表面稍有凹凸不平，非配合表面可直接安装使用，配合表面可经磨削或抛光后安装使用。

二、通过选择合适的粉末种类和工艺参数，在原位生成TiC陶瓷颗粒的同时，陶瓷颗粒自动呈现连续的梯度分布，即从基体表面到熔覆层顶部，陶瓷颗粒的大小及含量依次增加，极大缓和了涂层中的应力，减小了涂层变形、裂纹倾向。

三、与激光熔覆涂层工艺相比，本发明生产工艺简单，设备成本低，且无需任何前处理，生产效率高；调节工艺参数可以达到熔覆层不产生脱落、裂纹等缺陷；与常规堆焊、氧-乙炔喷焊、电弧喷焊、等离子喷焊、喷涂工艺相比，等离子体熔覆具有基体变形小、粉末利用率高等特点。

具体实施方式

实例1：

取NiCrSiB粉末100g，粒度为140～320目；取石墨和钛粉作为原位生成TiC的原料，钛粉粒度为200目，纯度为99.9％，石墨粉粒度为200目，纯度99.9％，基体材料采用Q235号钢。石墨和钛粉与NiCrSiB粉末混合前经球磨混合，以增大两种粉末的反应活性。球磨在QM-SB行星式球磨机上进行，采用的球磨介质及球磨罐均为陶瓷质，球磨介质为直径分别为18mm、8mm和4mm三种球。实验时将钛粉和石墨粉以摩尔比为1∶1混和，球料比为10∶1，不同球之比为1∶1∶1，将配好的粉末放入球磨罐中。以无水乙醇为球磨控制剂，乙醇液面高于球和粉料5～7mm。以250r/min的转速适当球磨。将粉料取出干燥后，分别按10％与NiCrSiB粉末混合，用聚丙烯酸树脂调成糊状涂敷于Q235表面，预涂厚度约为1.5mm。用转移弧等离子体扫描设备单道扫描，工作电流为160A，工作电压为22伏，用Ar作为保护及电离气体，保护气体流量为0.8m³/h，电离气体流量为0.6m³/h，喷咀离工件距离为5mm，扫描速度13cm/min。检测结果表明：熔覆层厚度约为1.2mm，显微硬度可达HV_0.2680，涂层组织主要由γ-Ni枝晶、γ-Ni与M₂₃C₆、CrB的共晶体及原位生成的TiC组成；TiC颗粒呈多边形块状、花瓣状等形态；涂层与基体间呈冶金结合。

实例2：

取NiCrSiB粉末100g，粒度为140～320目；取石墨和钛粉作为原位生成TiC的原料，钛粉粒度为200目，纯度为99.9％，石墨粉粒度为200目，纯度99.9％，基体材料采用45号钢。Ti和C的摩尔比为x(Ti)∶x(C)＝1∶1，即质量比为w(Ti)∶w(C)＝47.90∶12，将两者混合后，以15％的配比与NiCrSiB粉末混合，用醋酸纤维素丙酮溶液混合均匀并调成糊状，涂敷于45号钢表面，涂层厚度约为1.2mm，于常温下空气中干燥。用转移弧等离子体扫描设备单道扫描，工作电流为170A，工作电压为24伏，用Ar作为保护及电离气体，保护气体流量为1m³/h，电离气体流量为0.8m³/h，喷咀离工件距离为5mm，扫描速度15cm/min。垂直于扫描方向截取样品作金相试样，沿平行于金属表面方向线切割截取0.5mm薄片，经机械减薄、离子减薄制取透射电镜样品。检测结果如下：熔覆层厚度约为1.0mm，显微硬度可达HV_0.2740，涂层组织主要由γ-Ni枝晶、γ-Ni与M₂₃C₆、CrB的共晶体及原位生成的TiC组成；由于涂层中不同部位的成分、温度分布及冷却速度的不同使合成的涂层组织呈大小不一的树枝状，TiC颗粒呈多边形块状、花瓣状等形态；实现了涂层与基体间的冶金结合。在基体的热影响区形成淬火层，使得从涂层到界面到基体的连续梯度分布。

Claims (1)

1、等离子控制原位生成TiC/金属复合熔覆层的方法，其特征是

一、配制预涂涂料，按照TiC的化学计量比，配置石墨和钛粉，与铁基或镍基或钴基粉末混合作为预涂涂料。涂料的配制方法为：先准备石墨粉和钛粉，按照摩尔比1∶1混合，混合方式分为球磨和非球磨；然后按照5～40％的比例与铁基或镍基或钴基合金混合；

二、采用下列(1)或(2)的方法，在金属表面原位生成TiC/金属基熔覆层：

(1)两步法：首先，将以上混合粉末用有机粘结剂混合均匀，呈糊状，将混合料涂敷在金属表面，厚度视具体要求而定，于常温下空气中干燥或烘干，烘干温度低于100℃。然后，用等离子体在预涂混合涂料的金属表面连续扫描，工艺参数为：电流80-200A，单道扫描宽度1-10mm，喷嘴离工件的距离2-10mm，扫描速度6-30cm/min。经熔覆后，金属表面得到连续或单道熔覆层。所用等离子体是由等离子矩产生的压缩等离子体，引弧方式为高频高压引弧，放电方式为转移式放电，所用的放电及保护气体为非氧化性气体；

(2)同步送粉法：将以上混合粉末用管道侧旁送入到等离子体弧柱中，在等离子体同步扫描时，混合粉末熔化过渡到金属表面，在这一过程中形成TiC颗粒；工艺参数同(1)。