CN101245461A

CN101245461A - 一种(FeAl＋Cr7C3)/γ－(Fe,Ni)复合涂层的制备方法

Info

Publication number: CN101245461A
Application number: CNA2008101022515A
Authority: CN
Inventors: 孙冬柏; 张丽民; 俞宏英; 孟惠民; 樊自栓; 王旭东
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: CN100535190C

Abstract

本发明提供了一种(FeAl+Cr₇C₃)/γ－(Fe，Ni)复合涂层的制备方法，将低碳钢作为基体材料放置于等离子熔覆工作台上，与等离子矩的距离为27～30mm；在铁基合金粉末体系的基础上，添加重量百分比为10～15％的Al₂O₃粉末，将粉末球磨30～60min，使粉末充分混合配制成涂层材料；将涂层材料装入等离子熔覆设备的送粉器中，进行等离子熔覆涂层的制备。设定等离子熔覆工艺参数为：工作电流250～300A，扫描速度350～400mm/min，送粉气(Ar)：0.4～0.8m³/h，等离子气(Ar)：0.4～0.8m³/h，保护气(Ar)：0.4～0.8m³/h。本发明制备的涂层晶粒细小，成分均匀，涂层硬度高，耐磨性能和抗高温氧化性能优异。

Description

一种(FeAl＋Cr7C3)/γ-(Fe，Ni)复合涂层的制备方法

技术领域

本发明属于表面涂层技术领域，涉及一种金属间化合物复合涂层及其制备方法。

背景技术

FeAl金属间化合物具有许多优异的性能，包括熔点高，密度低，热传导性能好以及优异的抗氧化性能，是潜在的高温结构材料。但是其广泛的工业化应用还存在以下问题。一是室温脆性和低的屈服强度，限制了FeAl金属间化合物在室温下的加工性能。众多的研究者在这方面开展了研究工作，据材料热处理学报(2007，Vol.28，No.4，P16～21)的报道，采用热压烧结的方法提高了FeAl金属间化合物的室温力学性能；清华大学学报(自然科学版)(2004，Vol.44，No.5，P 585-588)报道，在45钢的表面预涂纯Al粉，用光束合金化的方法合成了具有分层特征的Fe/Al化合物涂层，存在组织梯度过渡特点，从而提高了其综合力学性能。昆明理工刘安强(热加工工艺，2006，Vol.35，No.20，P26-42)采用机械合金化和真空烧结的方法制备FeAl合金，获得了良好的室温力学性能。有关这方面的研究还有很多，但是富有成效的比较少，并且所采用方法的共同点就是制备条件比较苛刻，设备复杂，能耗高，生产周期长。这些较高的成本不能满足FeAl材料的工业化需求。另外，目前大多数研究都是针对制备FeAl整体材料，对FeAl金属间化合物涂层的制备研究较少，而这种整体材料往往不能满足使用要求，这是因为在很多的工况条件下，需要材料的表面高硬度和内部韧性的配合。这在一定程度上加快了涂层技术的发展。目前制备FeAl金属间化合物的涂层技术主要有热喷涂和激光熔覆，热喷涂涂层结合性不好，涂层孔隙率较大；而激光熔覆的大型激光器成本昂贵，不利于工业化应用。

等离子熔覆技术是近几年发展起来的一种表面涂层技术，高能等离子束流能量高，稳定性好，可在大气中操作，采用同步送粉方式，并且在等离子熔覆过程中不受组成物的相溶性、熔点、密度等性质的限制，利用任意粉末的任意配比，获得通常冶金方法不能得到的合金层，即材料在冶金反应前后是A→B，或A+B→C，或A+B→C+D等(当然也包括A→A，或A+B→A+B)，为原位生成金属间化合物提供了充足的条件，并且在高能束流作用下，粉末和基体表层同时熔化，冶金层与基体达到冶金结合状态。等离子熔覆设备不需真空系统，造价仅为同功率激光熔覆设备的1/5～1/10，生产效率高，操作维护简便。但是目前在等离子熔覆涂层的制备开发方面还远远不足，等离子熔覆技术在涂层的制备方面仅限于Fe基、Ni基等常规涂层，难以拓展其应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层的制备方法，将FeAl金属间化合物和Cr₇C₃硬质相引入涂层中，并与韧性相γ-(Fe，Ni)复合，有效提高金属间化合物复合材料的力学性能，拓宽金属间化合物的应用领域。所采用的等离子熔覆技术，可以克服原有制备金属间化合物涂层技术涂层热应力大、与基体结合力较差、成本昂贵等不足。

本发明(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层的制备工艺为：将基体材料放置于等离子熔覆工作台上，与等离子矩的距离为27～30mm；在铁基合金粉末体系的基础上，添加重量百分比为10～15％的Al₂O₃粉末，将粉末球磨30～60min，使粉末充分混合配制成涂层材料；将涂层材料装入等离子熔覆设备的送粉器中，设定等离子熔覆工艺参数为：工作电流250～300A，扫描速度350～400mm/min，送粉气(Ar)：0.4～0.8m³/h，等离子气(Ar)：0.4～0.8m³/h，保护气(Ar)：0.4～0.8m³/h。启动开关，进行等离子熔覆涂层的制备。待涂层冷却后，砂轮磨掉表面氧化皮等杂质，获得无气孔、无裂纹、光亮、致密的(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)的复合涂层。

所述基体材料为低碳钢，厚度为5～10mm。

所述铁基合金粉末的合金元素重量百分比为：Cr 30.0～35.0％、Ni 4.5～5.5％、Mo3.0～4.5％、B 2.0～3.5％、Si 3.5～5.0％、Fe余量。

所述粉末粒度范围为106～180微米。

本发明是从涂层材料出发，在制备FeAl金属间化合物时，在铁基合金粉末体系的基础上添加一定量的Al₂O₃粉末，均匀混合作为涂层材料。在等离子熔覆过程中，Al₂O₃和合金元素发生化学反应，原位生成FeAl金属间化合物、硬质相Cr₇C₃和延展性好的γ-(Fe，Ni)，如图1所示，由此获得晶粒细小、成分均匀的快速凝固组织；涂层硬度高，耐磨性能和抗高温氧化性能优良。

对涂层的组织结构分析发现，涂层组织为晶粒细小，成分均匀，FeAl和Cr₇C₃弥散分布的快速凝固组织，其中FeAl金属间化合物和碳化物Cr₇C₃相依生长。涂层的显微硬度约为HV_0.2900～1100，在SRV高温摩擦磨损试验机上分别进行常温和500℃的磨损试验，在常温和高温的摩擦系数分别为0.35和0.3左右，无论在常温还是在高温都具有优良的耐磨损性能。在高温电阻炉中进行700℃高温循环氧化，每隔10h取出称量一次，试验表明，在开始的10小时，氧化增重比较快，增重率为0.0152～0.0203mg·cm^-2·h^-1，涂层表面形成致密的氧化膜，阻碍涂层的进一步氧化，之后氧化增重比较缓慢，增重率为0.0040～0.0086mg·cm^-2·h^-1。抗高温氧化性能优异。

附图说明

图1(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层XRD图谱；

图2实例1(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层组织形貌；

图3实例2(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层组织形貌；

图4实例3(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层组织形貌。

具体实施方式

实例1.称取200g涂层材料，其中各成分含量为Cr 60g，Ni 10g，Mo 8g，B 6g，Si 8g，Fe88g和Al₂O₃ 20g。将合金粉末放入低温球磨仪中球磨30min，粉末粒度范围为106～180微米，使其充分混合，配制涂层材料。将涂层材料装入等离子熔覆设备的送粉器中，设定等离子熔覆工艺参数为：工作电流280A，扫描速度380mm/min，送粉气(Ar)：0.6m³/h，等离子气(Ar)：0.6m³/h，保护气(Ar)：0.6m³/h；将低碳钢板切割成150mm×100mm大小、厚度为6mm的试块作为基体，放到等离子炬正下方30mm处的工作台上；准备就绪后，启动等离子熔覆设备，制备复合涂层。熔覆完毕，等涂层冷却后，用砂轮磨掉涂层表面的氧化皮、熔渣，获得平整、光亮、无缺陷的涂层。涂层中晶粒细小，成分均匀，为FeAl和Cr₇C₃弥散分布的快速凝固组织，如图2所示；能谱分析复合涂层的成分(重量百分比)为：Cr 31.5％-Fe 44.2％-Ni 5.2％-Mo 3.4％-Si 3.5％-Al 12.2％。

涂层的显微硬度约为HV_0.21000，其常温和高温的摩擦系数分别约为0.35和0.3，具有优良的耐磨损性能。700℃高温循环氧化试验表明，在氧化初始的10h，氧化增重率为0.018mg·cm^-2·h^-1，涂层表面形成致密的氧化膜，当高温氧化进行到100h时，其增重率为0.005mg·cm^-2·h^-1。抗高温氧化性能优异。

实例2.称取200g涂层材料，其中各成分含量为Cr 65g，Ni 10g，Mo 8g，B 6g，Si 8g，Fe73g和Al₂O₃ 30g。将合金粉末放入低温球磨仪中球磨40min，使其充分混合，配制成涂层材料。将混合均匀的涂层材料装入等离子熔覆设备的送粉器中，设定等离子熔覆工艺参数为：工作电流300A，扫描速度400mm/min，送粉气(Ar)：0.5m³/h，等离子气(Ar)：0.5m³/h，保护气(Ar)：0.5m³/h；将Q235钢板切割成150mm×100mm大小、厚度为8mm的试块，作为基体，放到等离子炬正下方30mm处的工作台上；准备就绪后，启动等离子熔覆设备，制备复合涂层。熔覆完毕，等涂层冷却后，用砂轮磨掉涂层表面的氧化皮、熔渣，获得光亮的涂层。涂层组织为晶粒细小，成分均匀，FeAl和Cr₇C₃弥散分布的快速凝固组织，如图3所示；能谱分析复合涂层的成分(重量百分比)为：Cr 32.5％-Fe 41.2％-Ni 4.5％-Mo3.2％-Si 3.4％-Al 15.2％涂层的显微硬度可达HV_0.21100，其常温和高温的摩擦系数分别约为0.35和0.3，具有优良的耐磨损性能。700℃高温循环氧化试验表明，在氧化初始的10h，氧化增重率0.015mg·cm^-2·h^-1，涂层表面形成致密的氧化膜，当高温氧化进行到100h时，其增重率为0.004mg·cm^-2·h^-1。抗高温氧化性能优异。

实例3.称取200g涂层材料，其中各成分含量为Cr 65g，Ni 10g，Mo 8g，B 6g，Si 8g，Fe79g和Al₂O₃ 24g。将合金粉末放入低温球磨仪中球磨60min，使其充分混合。将涂层材料装入等离子熔覆设备的送粉器中，设定等离子熔覆工艺参数为：工作电流300A，扫描速度400mm/min，送粉气(Ar)：0.6m³/h，等离子气(Ar)：0.6m³/h，保护气(Ar)：0.6m³/h；将Q235钢板切割成150mm×100mm大小、厚度为9mm的试块，作为金属间化合物复合涂层的基体材料，放到等离子炬正下方30mm处的工作台上；准备就绪后，启动等离子熔覆设备，制备复合涂层。熔覆完毕，等涂层冷却后，用砂轮磨掉涂层表面的氧化皮、熔渣，获得光亮的涂层。涂层组织为晶粒细小，成分均匀，FeAl和Cr₇C₃弥散分布的快速凝固组织，如图4所示；能谱分析复合涂层的成分(重量百分比)为：Cr 31.5％-Fe 43.2％-Ni 4.8％-Mo 3.4％-Si 3.5％-Al 13.5％。涂层的显微硬度约为HV_0.2980，其常温和高温的摩擦系数分别约为0.35和0.3，具有优良的耐磨损性能。700℃高温循环氧化试验表明，在氧化初始的10h，氧化增重率0.020mg·cm^-2·h^-1，并且涂层表面形成致密的氧化膜，当高温氧化进行到100h，其增重率为0.007mg·cm^-2·h^-1。抗高温氧化性能优异。

Claims

1、一种(FeAl+Cr₇C₃)/γ-(Fe，Ni)复合涂层的制备方法，其特征在于：将基体材料放置于等离子熔覆工作台上，与等离子矩的距离为27～30mm；在铁基合金粉末体系的基础上，添加重量百分比为10～15％的Al₂O₃粉末，将粉末球磨30～60min，使粉末充分混合配制成涂层材料；将涂层材料装入等离子熔覆设备的送粉器中，等离子熔覆工作电流250～300A，扫描速度350～400mm/min，送粉气0.4～0.8m³/h，等离子气0.4～0.8m³/h，保护气0.4～0.8m³/h。

2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料为低碳钢，厚度为5～10mm。

3、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁基合金粉末的合金元素重量百分比为：Cr 30.0～35.0％、Ni 4.5～5.5％、Mo 3.0～4.5％、B 2.0～3.5％、Si 3.5～5.0％、Fe余量。

4、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉末粒度范围为106～180微米。

5、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，送粉气、等离子气、保护气均使用氩气。