本发明专利技术涉及耐磨涂层领域，特别是一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置及方法。所述装置包括工件支架，所述支架上设有基板，所述基板上方涂层反应熔池，所述涂层反应熔池两侧设有陶瓷保温板，所述陶瓷保温板上方设有等离子弧枪；所述基板底部设有冷却水槽。所述方法以Cr3C2与Fe‑Ni粉末为原料，按比例混合后装入送粉器，采用CNC同轴自动送粉等离子原位合金工艺制备涂层，涂层两侧用耐高温陶瓷保温，涂层基板从底部强制冷却，获得M7C3定向生长所需的温度梯度，实现定向生长M7C3涂层的制备。本发明专利技术采用的Cr3C2可作为初生相M7C3的非匀质形核基底，所以促进了M7C3柱体的形核，缺陷少，抗磨性能更优。
Preparation of directionally grown M by an in situ heterogeneous nucleation reaction
The invention relates to the field of wear-resistant coating, in particular to an in situ heterogeneous nucleation reaction to prepare directionally grown M
【技术实现步骤摘要】
一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置及方法
本专利技术涉及耐磨涂层领域，特别是一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的装置及方法。
技术介绍
高铬铁基复合材料是一种性能优良的耐磨材料。因其具有高硬度、耐磨损、化学稳定性、高熔点、较低的线膨胀系数等，常用于制造硬质合金，被广泛用于矿山、水泥等领域的耐磨机械，如：颚式矿石破碎机的颚板及锤式破碎机的锤头。复合碳化物M7C3(M=Cr,Fe)为高铬铁基复合材料的增强相，该碳化物生长为长柱状，具有明显的各向异性，其横截面硬度及耐磨性均高于纵截面。因此制备定向生长M7C3材料是提高耐磨性的重要途径。专利公告号为CN106086592A的专利技术专利公开了“一种碳化物定向生长耐磨钢铁的制备方法”，其以石墨粉、高纯铁粉及合金粉末为原料，经球磨混料后用压片机压成多根柱形试样，再叠放到一端开口一端闭口的石英管内，在真空状态下对石英管感应加热熔炼，待冷却后打碎石英管取出耐磨材料。上述方案中，制备的耐磨材料为整体块状，且材料块体大小受石英管的管径尺寸限制，所以不适用于尺寸较大的工件，更不能在任何形状工件表面制备出定向生长M7C3涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的装置及方法，在零件表面制备定向生长M7C3涂层,不仅耐磨性得到提高，而且表面涂层与整体块状材料相比原料消耗少，可节约大量昂贵合金粉末。本专利技术的技术构思：本专利技术采用等离子原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层。由于Cr3C2自由能较高，在Fe基合金熔池中容易发生脱碳反应，并自发向自由能较低、稳定性更高的M7C3(M=Cr,Fe)转变。同时Cr3C2可作为初生相M7C3的非匀质形核基底，从而促进M7C3形核生长，不仅能提高M7C3生成量，而且M7C3柱体结构缺陷少、更完整。另外，M7C3的本征生长特征为六方棱柱状，表1为M7C3晶体各晶面的自由能Esurf和生长速度Rhkl，其中M7C3晶体界面能越高的晶面其生长速率越大，反之界面能越小晶面生长速率越小，如：{640}{620}的界面能Esurf分别为-9.2955和-9.13474kcal/mol/Å，生长速率Rhkl分别为1.01843和0.96411/Å；{011}{002}界面能Esurf分别为-2.67987和-2.65248kcal/mol/Å，生长速率Rhkl分别为0.11519和0.13107/Å，这遵循晶体生长的热力学与动力学定律。由晶体生长Gibbs-Wulff定理及BFDH模型可知：M7C3晶体中晶面{640}{620}{260}等生长较快，从而决定碳化物M7C3生长形态时的形态重要性较小，最终消失，而晶面{011}{002}{101}{111}生长速率较小，其决定M7C3生长形态的重要性最大，最终显露出来。长大后M7C3晶体由{011}{002}{101}晶面组成，由于晶面{011}与晶面{002}的面数和为6，从而组成一个近似六面结构。因晶面{101}界面能远高于{011}与{002}，所以生长速率较快，最终显露面积最小，所以M7C3晶体本征生长形态为六棱柱状。可见在理论上不仅较容易合成M7C3，且其本身具有单向生长的物理特性。因晶体长大方式和进程主要是由热流控制，所以若想实现初生相M7C3定向生长，需维持一维热流方向，这样不仅可抑制M7C3晶体其他方向生长，而且能使所有M7C3晶体沿逆热流方向长大，获得定向生长M7C3。表1M7C3晶体各晶面的自由能Esurf和生长速度Rhkl本专利技术技术方案为：一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置，所述装置包括工件支架，所述支架上设有基板，所述基板上方涂层反应熔池，所述涂层反应熔池两侧设有陶瓷保温板，所述陶瓷保温板上方设有等离子弧枪；所述基板底部设有冷却水槽，所述冷却水槽与进水管连接，所述进水管与水泵连接，所述水泵与制冷机连接，所述制冷机与出水管连接。优选地，所述陶瓷保温板、涂层反应熔池上方设有保温陶瓷纤维。进一步优选地，所述冷却水槽、进水管、水泵、制冷机、出水管之间设有阀门，所述陶瓷保温板材质为刚玉。一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的方法，所述方法包括如下步骤：1)清理基板表层污物，若在零件表面制备涂层时，则需对其表面进行喷砂处理，然后将预处理好的基板放入工件支架，夹紧固定；2)配置原位反应合金粉末，反应合金粉末包括Cr3C2粉、Fe-Ni粉，按比例混合后，装入载流气体为氩气的送粉器中；3)根据涂层宽度在基板表面两侧粘结两个平行放置的耐高温陶瓷保温板；4)打开循环冷却水系统对基板底部冷却；5)采用数控控制同轴自动送粉等离子原位冶金工艺，反应得到M7C3涂层。优选地，所述合金粉末包括以下按质量百分比计组分：Cr3C2粉15%-50%、余量为Fe-Ni粉；所述Fe-Ni粉中Ni质量百分比为30%；Fe质量百分比为69%；Re质量百分比为1%。所述Cr3C2粉粒度为100-150μm，所述Fe-Ni粉粒度为60-180μm。优选地，所述步骤2）涂层的合金粉采用同轴自动送粉。优选地，所述步骤3）陶瓷保温板材质为刚玉，其氧化铝含量为99.5%，耐热温度大于1600℃。优选地，所述步骤4)冷却水水温为2-3℃，流速为1-1.5m/s。优选地，所述步骤5)等离子原位冶金工艺参数为：电流：80-110A；电压：40-50V；离子气流量：3-5L/min；保护气流量为：7-8L/min；送粉速度：10-20g/min；送粉气流量：1.5-3L/min；CNC移动速度：50-80mm/min；涂层制备边用硅酸铝陶瓷纤维覆盖熔池表面保温。更进一步优选地，所述陶瓷纤维的厚度为30-50mm，耐热温度为1200-1300℃。本专利技术有益效果：1）利用Cr3C2及Fe-Ni合金混合粉末为原料，在预处理的基板上采用同轴自动送粉等离子原位冶金工艺制备涂层，并对涂层熔池进行实时保温，同时利用冷却水对熔池底部强制冷却，以获得M7C3定向生长所需的温度梯度。2)该方法为原位异质形核反应制备定向生长M7C3，不仅提高了M7C3的形核率，增加了反应生成量，而且生成的M7C3结构缺陷少、更完整。3)该方法生成的M7C3为原位自生，不仅与基体界面结合力大，且定向生长的M7C3横截面具有很高的抗磨性。4)该方法基板底部采用循环冷却水从涂层底部强制制冷，循环冷却水温度为2-3℃，流速为1-1.5m/s，从而保障把熔池热量迅速带走，上部采取保温措施，从而在熔池冷却过程中形成由上而下的温度梯度，所用的冷却系统与同轴自动送粉等离子原位合金工艺设备简单、稳定、易操控。5)该方法制备定向生长M7C3涂层时合金原料消耗小，与块状材料相比，可节省大量昂贵金属。6)该方法为同轴送粉工艺，与预敷粉末工艺相比提高了效率，且对基板形状适应性更强，可在规则、非规则零部件表面制备定向生长M7C3涂层。综述，本专利技术有益效果为：利用原位异质形核反应制备定向生长的M7C3涂层，与已有定向生长方法相比，该工艺所用设备简单、稳定、易操控；与块状材料相比，表面制备涂层可节省大量昂贵合金，对基板的几何结构适应性强；原位异质形核可提高反应产物M7C3的生成量，且定向生长的M7C3是在基体内原位自本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种原位异质形核反应制备定向生长M
【技术特征摘要】
1.一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置，其特征在于：所述装置包括工件支架（2），所述支架（2）上设有基板（1），所述基板（1）上方涂层反应熔池（10），所述涂层反应熔池（10）两侧设有陶瓷保温板（9），所述陶瓷保温板（9）上方设有等离子弧枪（11）；所述基板（1）底部设有冷却水槽（6），所述冷却水槽（6）与进水管（3）连接，所述进水管（3）与水泵（4）连接，所述水泵（4）与制冷机（5）连接，所述制冷机（5）与出水管（7）连接。2.根据权利要求1所述的原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置，其特征在于：所述陶瓷保温板（9）、涂层反应熔池（10）上方设有保温陶瓷纤维（12）。3.根据权利要求2所述的原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置，其特征在于：所述冷却水槽（6）、进水管（3）、水泵（4）、制冷机（5）、出水管（7）之间设有阀门，所述陶瓷保温板材质为刚玉。4.一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：1)清理基板表层污物，若在零件表面制备涂层时，则需对其表面进行喷砂处理，然后将预处理好的基板放入工件支架，夹紧固定；2)配置原位反应合金粉末，反应合金粉末包括Cr3C2粉、Fe-Ni粉，按比例混合后，装入载流气体为氩气的送粉器中；3)根据涂层宽度在基板表面两侧粘结两个平行放置的耐高温陶瓷保温板；4)打开循环冷却水系统对基板底部冷却；5)采用数控控制同轴自动送粉等离子原位冶金工艺，反应得到M7C3涂层。5.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁有录，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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