本发明专利技术为一种等离子喷涂制备铬‑铝‑碳复合涂层的方法。该方法包括以下步骤:向Cr粉、Al粉、石墨粉中加入去离子水、凝胶、分散剂,得到混合浆料;然后通过喷雾干燥得到等离子喷涂喂料粉;通过等离子喷涂装置中,喷涂在粘结层上面,获得初始涂层,再在真空或氩气气氛下进行保温处理,温度为550‑900℃,保温1‑4h,获得铬‑铝‑碳复合涂层。本发明专利技术原位形成三元Cr2AlC化合物,达到降低涂层脆性,提高硬度和耐磨性的目的,克服现有的含Cr2AlC涂层制备成本高,沉积效率低和厚度薄的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种等离子喷涂制备铬-铝-碳复合涂层的方法
本专利技术涉及一种喷涂涂层的制备和涂层质量优化的方法,尤其涉及一种具有高硬度和高耐磨性的等离子喷涂涂层及其制备方法。
技术介绍
在航空航天、钢铁冶金和石油化工等国防重大技术装备中,关键零部件均处于极端复杂和苛刻的工作环境中(高温、重载、腐蚀等),客观上要求它们具有优异的强韧性、耐磨性和高温抗氧化性,显然单一材料无法满足上述要求,而采用表面涂层技术在金属表面制备耐磨和抗氧化涂层则经济实效。碳化铬陶瓷(Cr7C3和Cr23C6)具有高硬度、良好的抗氧化性和优异的耐磨性等优点,特别是其热膨胀系数与钢接近,能与基体部件形成良好配合,因此成为目前高温(600~900℃)环境下应用最为广泛的涂层材料,广泛应用于冶金、航空、电力、核能等行业。碳化铬陶瓷本征上仍存在较大的脆性,材料工作者通过添加过渡族金属(Fe、Ni、NiCr、Co等)的方法降低脆性,但由此带来涂层密度的增加和成本升高。等离子喷涂是碳化铬涂层常用的制备方法,一般采用镍铬-碳化铬烧结的复合粉作为喷涂喂料,喂料的制备需要前期烧结处理,增加了工艺复杂性和生产成本,此外镍铬-碳化铬复合层的硬度虽高,但脆性仍较大,在喷涂过程中易产生裂纹,影响涂层使用性能,因此在碳化铬涂层中加入第二相韧性陶瓷来制备复合涂层,对于提高涂层韧性具有重要意义。三元铬-铝-碳化合物Cr2AlC是一种层状结构陶瓷,同时具备金属的高韧性和陶瓷的高强度和高硬度,并且具有良好的抗高温氧化性能,Cr2AlC的热膨胀系数为(13.3×10-6K-1),与大部分金属合金能形成良好的热匹配,另一方面,Cr2AlC的层状结构还具有一定的自润滑效果和增韧效果,有利于提高材料韧性和降低摩擦系数,因此在涂层防护领域具有较大的应用前景。目前主要采用磁控溅射和多弧离子镀等方法制备Cr2AlC涂层,磁控溅射要求使用高温台来加热基片,这增加了制备成本,另外沉积效率低,获得的涂层厚度低;多弧离子镀采用合金靶材,增加了成本,沉积的涂层厚度也较薄,不利于Cr2AlC涂层的广泛应用。等离子喷涂具有沉积速率高,涂层厚度高和操作简便的优点,但目前还未见关于等离子喷涂制备含Cr2AlC组分的涂层的报道。
技术实现思路
本专利技术针对现有等离子喷涂碳化铬涂层技术的不足,提供了一种高硬耐磨铬-铝-碳复合涂层的等离子喷涂制备及优化方法。本专利技术采用两步法,即等离子喷涂制备初始涂层和后续真空或气氛保护退火处理的方法,在适当的物料配比和操作参数下,利用等离子喷涂的超高温三种不同粒径大小的Cr粉,Al粉,石墨粉反应并沉积在基体上形成涂层材料,再进行退火处理,进一步优化涂层质量。本专利技术原位形成三元Cr2AlC化合物,达到降低涂层脆性,提高硬度和耐磨性的目的,克服现有的含Cr2AlC涂层制备成本高,沉积效率低和厚度薄的问题。本专利技术的技术方案为:一种等离子喷涂制备铬-铝-碳复合涂层的方法,包括以下步骤:步骤一、按质量百分比称量原料粉;其中,原料粉中各组分的比例为:60%~82%为Cr粉,10%~30%为Al粉,7%~10%为石墨粉;步骤二、向称量好的原料粉中加入去离子水、凝胶、分散剂,机械搅拌3~5小时后得到混合浆料;其中,凝胶由去离子水和羧甲基纤维素钠混合制得,质量比为去离子水:羧甲基纤维素钠=80~120:1;质量比为原料粉:去离子水:凝胶=2:1.5~2.5:1,加入的分散剂PVP质量为原料粉总质量的0.5~2.5%;步骤三、将混合浆料通过喷雾干燥法制备出团聚的复合粉体;其中,喷雾造粒器的入口温度为230~280℃,出口温度为110~130℃;;步骤四、将团聚的复合粉体进行干燥、分筛,得到100目~300目的团聚颗粒,作为等离子喷涂喂料粉;步骤五、对基体表面进行粗化处理;步骤六、在粗化的基体表面预先喷涂Ni-10wt%Al自熔性合金粉末,得到厚度为50-120μm的粘结层;步骤七、将步骤四中获得的喷涂喂料粉加入到等离子喷涂装置中,喷涂在粘结层上面,获得初始涂层,厚度为200-300μm;步骤八、将步骤七中所得初始涂层在真空或氩气气氛下进行保温处理,温度为550-900℃,保温时间为1-4h,获得铬-铝-碳复合涂层。所述步骤一中Cr粉的粒度为325目~500目,Al粉的粒度为300~500目,石墨粉的粒度为8000目~15000目。所述步骤五中的基体粗化处理具体为:先用砂纸打磨,然后进行表面喷砂。所述的基体具体为碳素钢、钛合金、高温合金或陶瓷。所述步骤七中采用步骤四筛选的团聚粉作为喷涂喂料,利用等离子喷涂在基体表面制备初始涂层,其中,等离子喷涂工艺参数为:工作电压为60-75V,工作电流为450-500A,氩气流量为20-40L/min,氢气流量为20-30L/min,送粉速度为2-5L/min、喷涂距离为70-130mm,其中氩气同时作为送粉气和保护气。本专利技术的实质性特点为:本专利技术采用两步法,即等离子喷涂制备初始涂层+后续气氛保护退火处理的方案,利用等离子喷涂的超高温将这三种原料反应并沉积在基体上形成涂层材料,做防护材料。本专利技术与以往专利喷涂(如Ti-C-N,Ti-N等)明显不同。反应中Cr,Al,石墨三种原料,以及后续热处理步骤或参数都决定着反应成败。本专利技术原位形成三元Cr2AlC化合物,达到降低涂层脆性,提高硬度和耐磨性的目的,克服现有的含Cr2AlC涂层制备成本高,沉积效率低和厚度薄的问题。本专利技术相对于现有技术的优点在于:(1)采用喷雾干燥法制备Cr-Al-石墨团聚粉喂料,操作简单,获得的喂料流动性好,适于喷涂,在喷涂过程中Cr与石墨反应更充分,能形成更加细小的碳化铬晶粒。(2)采用等离子喷涂-退火两步处理,在初始涂层内部利用Al与碳化铬反应,原位生成三元铬-铝-碳化合物Cr2AlC,该化合物为层状陶瓷相,具有热膨胀系数小和断裂韧性高的优点,有助于降低复合涂层的脆性,提高涂层的耐磨性;并且涂层中不仅原位生成Cr2AlC层状陶瓷相,还大幅提高了硬度;因为Cr2AlC本身硬度不高,单独作为单组元材料不适合,本专利技术通过退火工艺,在涂层中原位生成Cr2AlC作为增韧相,退火处理同时还可以强化基体相,使得涂层的硬度和韧性同时提升。(3)采用Al粉作为原料,在等离子喷涂过程中,铝能起到润湿界面和粘结碳化铬涂层的作用,可有效提高初始喷涂涂层的致密度,而且将初始涂层在Al的熔点温度以上进行保温处理,还能降低涂层内应力。(4)本专利技术的涂层制备技术操作简单,沉积效率高,涂层厚度和物相体积分数易控制。附图说明图1是本专利技术实施例1中喷雾造粒后Cr-Al-石墨团聚粉体的SEM图;图2是本专利技术实施例1中45#钢基体表面喷涂初始涂层(a)和退火处理后铬-铝-碳复合涂层(b)的XRD图谱;图3是本专利技术实施例1中45#钢基体表面经等离子喷涂和退火处理后铬-铝-碳复合涂层的SEM图片;图4是本专利技术实施例1中45#钢基体表面初始涂层和经退火处理后的铬-铝-碳复合涂层的硬度图。具体实施方式下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述,需要指出的是,以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解,而对其不起任何限定作用实施例1:本实施例基于团聚粉改性利用反应等离子喷涂制备Cr-Al-C金属陶瓷复合涂层方法,包括以下步骤:步骤一、按照Cr粉72.7本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种等离子喷涂制备铬‑铝‑碳复合涂层的方法,其特征为该方法包括以下步骤:步骤一、按质量百分比称量原料粉;其中,原料粉中各组分的比例为:60%~82% 为Cr粉,10%~30%为Al粉,7%~10%为石墨粉;步骤二、向称量好的原料粉中加入去离子水、凝胶、分散剂,机械搅拌3~5小时后得到混合浆料;其中,凝胶由去离子水和羧甲基纤维素钠混合制得,质量比为去离子水:羧甲基纤维素钠=80~120:1;质量比为原料粉:去离子水:凝胶=2:1.5~2.5:1,加入的分散剂PVP质量为原料粉总质量的0.5~2.5%;步骤三、将混合浆料通过喷雾干燥法制备出团聚的复合粉体;其中,喷雾造粒器的入口温度为230~280℃,出口温度为110~130℃;步骤四、将团聚的复合粉体进行干燥、分筛,得到100目~300目的团聚颗粒,作为等离子喷涂喂料粉;步骤五、对基体表面进行粗化处理;步骤六、在粗化的基体表面预先喷涂Ni‑10wt%Al自熔性合金粉末,得到厚度为50‑120μm的粘结层;步骤七、将步骤四中获得的喷涂喂料粉加入到等离子喷涂装置中,喷涂在粘结层上面,获得初始涂层,厚度为200‑300μm;步骤八、将步骤七中所得初始涂层在真空或氩气气氛下进行保温处理,温度为550‑900℃,保温时间为1‑4h,获得铬‑铝‑碳复合涂层。...
【技术特征摘要】
1.一种等离子喷涂制备铬-铝-碳复合涂层的方法,其特征为该方法包括以下步骤:步骤一、按质量百分比称量原料粉;其中,原料粉中各组分的比例为:60%~82%为Cr粉,10%~30%为Al粉,7%~10%为石墨粉;步骤二、向称量好的原料粉中加入去离子水、凝胶、分散剂,机械搅拌3~5小时后得到混合浆料;其中,凝胶由去离子水和羧甲基纤维素钠混合制得,质量比为去离子水:羧甲基纤维素钠=80~120:1;质量比为原料粉:去离子水:凝胶=2:1.5~2.5:1,加入的分散剂PVP质量为原料粉总质量的0.5~2.5%;步骤三、将混合浆料通过喷雾干燥法制备出团聚的复合粉体;其中,喷雾造粒器的入口温度为230~280℃,出口温度为110~130℃;步骤四、将团聚的复合粉体进行干燥、分筛,得到100目~300目的团聚颗粒,作为等离子喷涂喂料粉;步骤五、对基体表面进行粗化处理;步骤六、在粗化的基体表面预先喷涂Ni-10wt%Al自熔性合金粉末,得到厚度为50-120μm的粘结层;步骤七、将步骤四中获得的喷涂喂料粉加入到等离子喷涂装置中,喷涂在粘结层上面,获得初始涂层,厚度为200-300μm;步骤八、将步骤七中所得初始涂层在真...
【专利技术属性】
技术研发人员:章凡勇,闫姝,李超,殷福星,何继宁,
申请(专利权)人:河北工业大学,
类型:发明
国别省市:天津,12
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