本发明专利技术公开了一种耐熔蚀FeAl金属间化合物基复合结构涂层的制备方法，涉及材料加工、冶金、电力、机械、化工等领域。该方法以廉价易得的Fe、Al以及陶瓷颗粒为原料，以球磨方法制备出合金粉末，采用冷喷涂在基体上沉积涂层，并通过热处理制备出FeAl金属间化合物基复合结构涂层，在一定氧分压条件下使其表面形成一层均匀致密的Al2O3薄膜。该方法制备的复合结构涂层，以FeAl金属间化合物为基，自身具有较好的高温耐磨损性能与耐Zn(Al)熔蚀性能，表面均匀致密的Al2O3薄膜是涂层具有优异的耐熔蚀性能、较低的金属液浸润特性以及优越的耐磨损性能。该涂层在钢铁镀锌等行业中与液态金属接触的部件表面具有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料加工、冶金、电力、机械、化工等领域，涉及耐熔蚀!^Al金属间化 合物基复合结构涂层的制备方法，该方法尤其适合在钢铁镀锌等行业中与液态金属接触的 部件表面制备耐熔蚀、耐磨损涂层。
技术介绍
在钢铁镀锌、Zn冶金等行业中，锌、锌铝合金、铝等经常需要处于高温液态，此时， 与高温液态金属直接接触的装备部件表面不可避免地受到液态金属的强烈的熔蚀，导致部 件表面失效，从而影响整体装备的连续稳定可靠运行。以钢板连续镀锌为例，含有一定量铝 的锌液一般处于450°C以上的高温状态，所有与锌液直接接触的部件表面均会受到锌液的 熔蚀作用，比如，沉没辊及其支撑部件、锌锅、加热元件表面、测温等部件表面等。其中，沉没 辊是直接影响钢板表面镀锌质量的重要部件，一般由不锈钢材料制造而成，其辊面应保持 应有的形状。然而，由于锌液的强烈熔蚀作用、钢板表面对辊面的磨损、锌渣粘附在辊面等 原因，使用一段时间后就难以保证钢板表面的镀锌质量，需要更换，影响生产线的连续稳定 运行，既降低生产效率也造成经济损失。因而，在其表面制备耐熔蚀耐磨损涂层是十分必要 的。针对液态金属熔蚀的问题，已有一些解决方法并获得了积极的效果。EP603797提 出使用MoSi、MoB等耐熔蚀性能优越的陶瓷材料，然而这些材料难以在沉没辊表面制备均 勻致密的涂层，其脆性会导致沉没辊浸入锌锅和从锌锅中取出时造成裂纹而引发涂层剥 落，因此，这些陶瓷材料的优越的耐熔蚀性能难以得到较好的发挥。JP8104966提出热喷 涂具有特殊成分与结构的WC-Co金属陶瓷涂层，WC具有优越的耐磨损性能和耐熔蚀性能， 而以Co为主的粘结相具有较好的耐熔蚀性能和塑韧性，因此取得了良好的效果。此外， ZL200510042321. 9采用电弧喷涂在含铁基体表面制备Al涂层，表面用水玻璃和SW2釉料 密封后进行高温处理以生成i^eAl金属间化合物涂层，然而，由于Fe、Al两元素构成的金属 间化合物具有多种相结构，该方法难以获得组织均勻的耐熔蚀性能优越的i^eAl化合物涂 层。ZL02155185. 5采用高速火焰喷涂制金属间化合物底层、FeAl-氧化物陶瓷的混 合层以及氧化物陶瓷层，制备了由三层构成的梯度结构涂层，具有较好的耐熔蚀与耐磨损 性能，然而，由于涂层具有本征的层状结构导致涂层内存在贯穿性的孔隙或裂纹，金属液可 能到达!^Al表面导致!^Al容易被锌液熔蚀，因此，将引起表面陶瓷层脱落等失效形式。实际上，FeAl金属间化合物材料不仅具有优越的耐熔蚀性能，而且在400-600°C 呈现出硬度随温度升高而升高的反常强化现象，对于热镀锌工况中的使用而言，尤其是与 传统金属合金(比如不锈钢)硬度随温度升高而降低的现象相比而言，还具有较好的耐磨 损性能。采用热喷涂技术，可望在沉没辊表面喷涂制备具有良好耐熔蚀耐磨损性能的!^Al 金属间化合物材料涂层。目前，热喷涂领域内制备金属间化合物涂层的常规方法有等离子 喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂。这些热喷涂技术的关键是通过某种方式使涂层材料在到达工件表面之前熔化形成熔滴，并高速撞击基体，从而在基体上沉积一层组织较致密且结 合强度较高的涂层，但这些技术都存在喷涂材料在达到工件表面之前由于高温熔化而发生 较为严重的氧化等，基于热喷涂制备涂层的特点，形成的涂层为典型的层状结构涂层。然 而，这些粒子层间的结合并非完全结合，而是呈现有限结合状态，因此，对涂层的结合强度、 使用寿命等产生不利的影响，不能充分发挥出金属间化合物材料的性能。冷喷涂方法可通 过材料的塑性变形在显著低于材料熔点的条件下沉积涂层，有望制备出致密的金属间化合 物涂层，然而，由于金属间化合物具有显著的低温脆性，因此通常以金属间化合物粉末为原 料采用冷喷涂难以实现金属间化合物涂层的有效制备。ZL200710017976.X公开了采用球磨 金属合金粉末冷喷涂并结合后热处理制备金属间化合物及其陶瓷复合结构涂层的方法，然 而，采用现有方法所制备的涂层尽管可以获得较好的颗粒强化效果与耐磨损性能，但涂层 整体呈现以!^Al为连续相的特征，体相直接与金属液的接触仍然对涂层具有一定的熔蚀 性，因而，如何有效提高涂层的耐熔蚀性仍然有待研究。
技术实现思路
针对上述技术存在的缺陷或不足，本专利技术的目的是提供一种新的耐熔蚀!^Al金 属间化合物基复合结构涂层的制备方法，该方法制备出的涂层致密、结合良好，同时具有较 高的耐熔蚀性能与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性。本专利技术的总体技术思路是首先利用机械球磨制备!^Al金属间化合物以及陶瓷 颗粒或其对应的元素构成的机械合金粉末，采用冷喷涂方法将粉末沉积在基体表面形成涂 层，然后进行热处理，通过热扩散使合金转化生成金属间化合物并连接涂层内部的粒子间 界面，使涂层形成结合良好、性能优异的金属间化合物涂层。在一定氧分压条件下使涂层表 面形成一层的均勻致密的α -Al2O3薄膜，当该氧化膜厚度不超过5-20微米时，使涂层具有 耐熔蚀、低的金属液浸润以及优越的耐磨损等综合性能，也可以承受冷热冲击，此外还有效 避免了常规氧化铝涂层中普遍存在的贯穿性孔隙，从而有效保护了复合结构涂层中的 ^ΑΙ 连续体相不被熔蚀。实际上，若在平坦的 ^ΑΙ基体表面制备形成一层致密的α-Al2O3薄 膜，则该薄膜很容易由于两者之间的热膨胀不匹配而剥落。本技术方案针对该问题有两个 关键点，第一是利用冷喷涂涂层表面呈现高低起伏的特征使表面氧化膜呈现曲面形状而不 是平面形状，从而增强氧化膜与基体之间的应变协调能力，第二是利用复合涂层内的内加 陶瓷颗粒，在表面氧化膜与 ^ΑΙ相的界面区域构成粗糙的结构，与表面氧化膜相连接的内 加陶瓷颗粒就像树根一样将表面氧化膜牢固地固定与i^eAl基体相中，从而提高结合强度、 抗热冲击和机械冲击性能。本专利技术是通过下述技术方案得以实现耐熔蚀!^Al金属间化合物基复合结构涂层的制备方法，按如下步骤进行(1)将狗粉、Al粉以及陶瓷粉末混合成为混合粉末，其中狗粉与Al粉的原子配 比为25 75 75 25，陶瓷粉末的含量为混合粉末总量的0% 80%，在惰性气氛保护、 低温或真空下，通过球磨获得分布有颗粒陶瓷的层片状分布的合金粉末； (2)对基体进行喷砂预处理；(3)采用上述合金粉末以冷喷涂方法在基体上制备涂层；(4)对涂层进行450°C 1300°C热处理使合金转化为金属间化合物；(5)在0. 01 常压的氧分压条件下使步骤(4)处理过的涂层表面形成一层均勻 致密的α-Al2O3膜。所述的α -Al2O3膜的厚度不小于陶瓷颗粒平均尺寸的三分之一。所述的陶瓷粉末选自硼化物、碳化物、氧化物、氮化物、硫化物、磷化物陶瓷中的一 种或几种。所述的陶瓷粉末为与锌液或含铝锌液不浸润或浸润较差的陶瓷材料。所述的合金涂层的制备过程中采用狗与Al含量不同的粉末从而得到 ^、Α1含量 呈现台阶式变化或连续变化的梯度结构，以协调基体与涂层之间的热膨胀进而增强涂层与 基体的结合。所述的合金涂层的制备过程中采用陶瓷颗粒含量不同的粉末从而得到陶瓷含量 呈现台阶式变化或连续变化的梯度结构，以协调基体与涂层之间的热膨胀进而增强涂层与 基体的结合。所述技术方案的第四步省略，涂层在使用过程中的450°C本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．耐熔蚀ＦｅＡｌ金属间化合物基复合结构涂层的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：（１）将Ｆｅ粉、Ａｌ粉以及陶瓷粉末混合成为混合粉末，其中Ｆｅ粉与Ａｌ粉的原子配比为２５∶７５～７５∶２５，陶瓷粉末的含量为混合粉末总量的０％～８０％，在惰性气氛保护、低温或真空下，通过球磨获得分布有颗粒陶瓷的层片状分布的合金粉末；（２）对基体进行喷砂预处理；（３）采用上述合金粉末以冷喷涂方法在基体上制备涂层；（４）对涂层进行４５０℃～１３００℃热处理使合金转化为金属间化合物；（５）在０．０１Ｐａ～常压的氧分压条件下使步骤（４）处理过的涂层表面形成一层均匀致密的α－Ａｌ２Ｏ３膜。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李长久，杨冠军，李成新，谭兴海，徐建明，陈雄伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，上海宝钢设备检修有限公司，
类型：发明
国别省市：87
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