等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法

2023-08-07 18:50:46

專利名稱：等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種塗層材料新的製備方法，更確切地說涉及的是在不鏽鋼基體上沉積碳化硼塗層材料的製備方法，屬於塗層材料領域。
背景技術：
碳化硼(B4C)是一種共價鍵極強的非氧化物陶瓷，它具有許多優良的性能。利用它的高硬度，可將其粉末製成磨料，經燒結成型製成耐磨噴砂嘴或研磨輪；利用其低密度、高彈性模量等性能可製作輕質裝甲；碳化硼具有高的熱中子吸收截面，可以以粉末或芯塊形式裝在不鏽鋼包殼中，構成核反應堆的控制或屏蔽元件；它更重要的一個用途是利用其優異的化學穩定性、較好的高溫穩定性以及低密度、抗輻照等特點，作為核反應堆的第一壁材料(Valenza，D.，H. Greuner，S.Koetterl and H.Bolt；Development andCharacterization of B4C Coatings for Plamsa Facing Applications of Wendelstein7-X Fusion Experimental Device.Proc.Materials Week(2000)，paper 427)。在國外許多託克馬克中碳化硼塗層已經取代傳統的高熔點金屬及其合金，成功應用於核反應堆作為第一壁材料(Bolt，H.，M.Araki，J.Linke，W.Mallener，K.Nakamura，R.W.Steinbrech，and S.Suzuki；Heat Flux Experiments on First WallMock-ups Coated by Plasma Sprayed B4C.J.Nucl.Mater.223-237(1996)，pp.809-813)。
碳化硼塗層在實際使用過程中，無論是作為耐磨塗層還是作為第一壁材料，其能否快速修復都是選擇塗層製備方式的重要標準。而等離子噴塗的一個重要特點就是能很快完成對已破壞或變薄塗層的修復。因此，目前工業用碳化硼塗層通常採用等離子噴塗的方法。但是碳化硼粉末的高熔點、高比熱和高熔融焓使得它在等離子射流中難以熔化的特性，因此等離子噴塗碳化硼塗層難以製備得到緻密的塗層。
1993年D.Stover(Riccardi，A.，and A.Pizzuto；ThermomechanicalCharacterization of B4C Vacuum Plasma Sprayed Coatings on Stainless SteelTubular Substrate.J.Mater.Sci.Letters，15(1996)，Issue 14，pp.1234-1236)及其同事首先嘗試用大氣等離子噴塗的方法製備碳化硼塗層，其結果表明碳化硼粉末在噴塗過程中發生了分解和氧化，且塗層的顯微硬度僅為700HV0.1，遠遠低於碳化硼陶瓷材料的顯微硬度。Mallener(鄒從沛等，聚變堆第一壁塗層材料，核動力工程，Vol.12(1991)，p35-37)。等於1995年嘗試採用高能惰性氣體氣氛等離子噴塗設備製備碳化硼塗層，他們的研究結果表明噴塗壓力越大，塗層的顯微硬度越高，最高可以達到3000HV0.3，接近陶瓷塊體的硬度。2002年J.Matejicek(D.Stover，E.Gauthier，Plasma Sprayed B4CCoatings in Controlled Fusion Reaction；Surface Engineering，1993，Vol.9，No.2，211-214)。採用水下等離子噴塗法也製備出了性能較好的碳化硼塗層。綜上所述，對等離子噴塗碳化硼塗層影響最大的工藝參數是噴塗壓力和噴塗氣氛。噴塗壓力過小，等離子體射流的能量密度太低，碳化硼粉末的熔融困難，形成的塗層氣孔多，硬度低；在大氣氣氛下噴塗，碳化硼粉末容易氧化分解，也難形成緻密塗層。
採用普通大氣噴塗設備製備碳化硼塗層成本低，但性能差，無法滿足使用要求；採用高能惰性氣氛等離子噴塗設備和水下等離子噴塗設備製備的碳化硼塗層性能較好，但成本昂貴。
能否結合上述大氣噴塗和高能惰性氣氛噴塗兩種設備的特點結合起來，開發一種惰性氣氛下大氣噴塗製備緻密碳化硼塗層的方法是本領域技術人員渴望能實現的。遺憾的是，至今在國內外尚未見報導。

發明內容
本發明的目的是提供一種等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，它是一種保護氣氛等離子噴塗方法，將粉末噴塗到不鏽鋼基體上，形成一種高硬度、高彈性模量、低氣孔率的碳化硼塗層。本發明提供的製備方法的關鍵在於惰性氣體保護罩的應用，保護罩的示意圖如圖1所示，由圖中可知，保護罩呈圓柱狀，其前端與噴槍相連，其後端將等離子體火焰的前面部分包圍。保護罩內通有循環水，其作用是防止等離子體火焰的高溫將保護罩熔融。保護罩的上部與惰性氣體相連，惰性氣體將通過保護罩圓柱端面上均勻分布的小孔以一定的壓力噴出，從而使惰性氣體充滿等離子體火焰的較大範圍，起到使等離子體火焰中的粉末處於惰性氣體氣氛下的作用。本發明的具體工藝過程如下選取顆粒形狀為塊狀、噴塗時可以順利送粉的商業碳化硼原料，其粒徑範圍為20-50μm。不鏽鋼基體的清洗和噴砂是一般等離子噴塗過程中常用的工藝。採用保護罩對碳化硼粉末進行噴塗。所得塗層同起始粉末的XRD結果表明塗層中氧化硼的含量很少，採用惰性氣體保護罩能很好的避免碳化硼粉末在高溫下的氧化。等離子噴塗碳化硼塗層的顯微硬度採用顯微硬度計測得，其平均顯微硬度為28Gpa，氣孔率採用光學顯微鏡方法測量，結果為4％；結合強度用ASM方法測得，約為13Mpa。所用的等離子氣體Ar流量30-50slpm(標準升/分鐘)，H2流量為1-10slpm，粉未載氣(Ar)1-5slpm，送粉速率10-15g/min，噴塗距離70-100mn。
本發明的創新之處在於使用了設計獨特的保護罩，並通過對工藝參數的優化而製備出了性能優良的碳化硼塗層材料，從而大大降低了碳化硼塗層的製備成本。


圖1為本發明提供的製備方法中使用的惰性氣體保護罩的示意圖。
圖2起始碳化硼粉末和本發明提供的等離子噴塗碳化硼塗層的XRD圖譜。
圖3為本發明提供的碳化硼塗層斷面SEM形貌。
圖4為幾種材料在雷射衝擊下的質量損失。
圖5為輻照前B4C和WC塗層的表面形貌。
圖6為輻照後B4C和WC塗層的表面形貌。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步闡明本發明的特點和效果。
實施例1利用惰性氣體噴塗技術，採用如表1所示的噴塗工藝參數，將20-50μm的碳化硼粉末沉積於已清洗和噴砂的不鏽鋼基體上。具體是噴槍與圖1所示的保護罩前端相連，等離子體火焰前面部分為保護罩所包圍保護罩後端循環冷卻，等離子氣體Ar和H2的混合氣通過氣體入口進入保護罩並通過圓柱面上均勻分布的小孔噴出。在LPX 150KrF準分子雷射器上對WC塗層和本發明提供的碳化硼塗層進行雷射輻照實驗。實驗參數如下雷射波長248nm脈寬為23ns；每個脈衝能量為0.2MJ/m2，採用連續脈衝的轟擊方式。圖4為幾種塗層在雷射衝擊下的質量損失。由圖中可知，B4C塗層的質量損失遠遠小於其他幾種塗層。圖5為輻照前WC和B4C塗層表面形貌，圖6為輻照後兩塗層的表面形貌。由圖中可知，轟擊後WC塗層表面形貌發生了明顯的變化，幾乎所有塗層顆粒上都出現了微小氣孔，呈針孔狀結構；B4C塗層表面未出現明顯的結構變化。雷射輻照實驗的結果表明碳化硼塗層具有優異的力學性能和很好的抗雷射輻照性能。
表1噴塗工藝參數等離子體氣體40slpm 送粉速率12g/minAr等離子體氣體5slpm 電流700AH2噴塗距離80mm電壓69V粉末載氣Ar 2.5slpm實施例2碳化硼塗層具有高硬度、耐腐蝕和耐磨損的特性，可噴塗在柱塞表面或機械密封端面，並在酸性條件下較長時間使用。利用惰性氣體噴塗技術，採用如表1所示的噴塗工藝參數，將碳化硼粉末沉積於已清洗和噴砂的不鏽鋼基體上。將本發明所提供的碳化硼塗層和其他幾種常見的耐腐蝕塗層在5％HCL和40％HNO3介質中，在沸騰條件下實驗6小時。塗層腐蝕速率採用失重法測量。測量結果如表2所示。結果表明，在弱酸和較強酸條件下，本發明提供的碳化硼塗層具有極好的耐腐蝕性。
表2 塗層耐酸腐蝕實驗結果

權利要求
1.一種等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，包括等離子氣體、噴塗距離、粉末載氣；送粉速率的選擇，其特徵在於採用保護罩對碳化硼粉末進行噴塗；所述的保護罩呈圓柱狀，其前端與噴槍相連，其後端將等離子焰的前面部分包圍，保護罩的上部與惰性氣體相連，惰性氣體通過保護罩圓柱端面上均勻分布小孔噴出。
2.按權利要求1所述等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，其特徵在於所述的等離子氣體為Ar和H2混合，其流量分別為30-50slpm和1-10slpm。
3.按權利要求1所述等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，其特徵在於所述的粉末載體為Ar，流量為1-5slpm。
4.按權利要求1所述等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，其特徵在於所述的保護罩內通有循環水。
5.按權利要求1所述等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，其特徵在於送粉末速率為10-15g/min。
6.按權利要求1所述等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，其特徵在於噴塗距離70-100mm。
全文摘要
本發明涉及一種等離子噴塗碳化硼塗層材料的製備方法，屬於無機塗去材料領域。其特徵在於採用保護罩對碳化硼粉末進行噴塗；所述的保護罩呈圓柱狀，其前端與噴槍相連，其後端將等離子焰的前面部分包圍，保護罩的上部與惰性氣體相連，惰性氣體通過保護罩圓柱端面上均勻分布小孔噴出。本發明創新之外在於使用了獨特設計的保護罩，並通過對工藝參數的優化而製備出性能優異的B
文檔編號C23C4/10GK1554798SQ200310122868
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年12月26日
發明者曾毅, 丁傳賢, 曾 毅 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所