一種復相陶瓷塗層的自反應電弧噴塗製備方法
2023-05-14 04:19:56 1
專利名稱：一種復相陶瓷塗層的自反應電弧噴塗製備方法
技術領域：
本發明涉及一種復相陶瓷塗層的反應合成製備技術，特別適用於金屬零部件表面耐磨損防護塗層的製備。
背景技術：
電弧噴塗技術是熱噴塗技術中成本最低、最適宜大面積推廣的一種。然而，電弧噴塗的原理決定了其最初只能用來噴塗可導電的低熔點金屬絲材，而難以直接獲得具有高熔點、高硬度、高耐磨、不導電等特性的高性能陶瓷塗層。20世紀70年代末，粉芯絲材的出現給電弧噴塗技術帶來了生機。與實芯絲材相比，電弧噴塗粉芯絲材兼具外皮與內芯兩種材料的優點，既克服了高合金或金屬間化合物成分難以拔絲的困難，又能使不導電的陶瓷顆粒材料填充到粉芯絲材中，使電弧噴塗技術成功應用於陶瓷、金屬陶瓷及金屬間化合物塗層的製備，拓寬了電弧噴塗塗層材料的應用領域，推動了電弧噴塗技術的快速發展。 然而，目前電弧噴塗陶瓷塗層多採用直接在粉芯絲材內填充噴塗陶瓷材料的方法製備，噴塗過程中存在陶瓷材料難以完全熔化、陶瓷相分布不均勻、塗層層間結合弱等突出問題，使塗層性能受到重要的不利影響；或者在金屬、合金中添加少量反應組元，噴塗過程中通過反應合成陶瓷相來獲得硬質相顆粒增強金屬基複合塗層，以提高塗層的耐磨、耐高溫等性能，但由於陶瓷相含量較少，塗層的綜合性能，尤其是耐高溫磨損性能仍無法與以陶瓷為主體的陶瓷基複合塗層相媲美。自蔓延高溫合成技術是利用反應原料自身燃燒反應放出的熱量使化學反應過程自發持續進行，以獲得具有指定成分與結構產物的一種新型材料合成技術。它具有工藝、設備簡單，成本低；能耗和原材料消耗少；反應溫度高，產物純度高；能夠充分利用原位複合等優點，特別適於製備陶瓷、金屬陶瓷及陶瓷基複合材料等具有高熔點、高硬度、高強度特徵的材料。本發明通過製備自反應型複合粉芯絲材，將自蔓延高溫合成技術與電弧噴塗技術相結合，創立自反應電弧噴塗技術，利用低成本電弧噴塗設備和廉價原材料製備高性能復相陶瓷塗層。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是創立一種利用低成本設備與廉價原材料獲得高性能復相陶瓷塗層的塗層製備技術。其具體思想是，選擇適宜的金屬外皮材料，其內包裹一種SHS體系的反應型藥芯，製備粉芯絲材用以自反應電弧噴塗，噴塗過程中通過電弧引燃噴塗體系的高放熱SHS反應，在快速生成目標陶瓷相的同時，利用電弧能量與SHS反應放熱獲得高溫陶瓷熔體，並在高壓霧化氣體作用下鋪展於金屬基體表面，利用高溫陶瓷熔體的快速凝固特徵，獲得具有微納米晶結構特徵的高性能復相陶瓷塗層。本發明的關鍵是通過製備自反應型粉芯絲材，將自蔓延高溫合成這一低成本陶瓷合成技術與電弧噴塗這一傳統熱噴塗技術相結合，創立了自反應電弧噴塗復相陶瓷塗層技術，使陶瓷材料的原位合成與陶瓷塗層的製備在一個連續、完整的工序中完成。本發明在復相陶瓷塗層的製備過程中，充分利用了自蔓延高溫合成技術的優點，通過電弧熱能引燃噴塗體系中各組元間的高放熱化學反應，使其SHS反應持續進行，反應絕熱燃燒溫度高，並能獲得高熔點陶瓷液相；所製備的陶瓷塗層是原位合成的，在成分與相結構上與原始材料完全不同，從而實現利用低成本設備與廉價原材料製備高性能復相陶瓷塗層。利用該方法製備的復相陶瓷塗層緻密度高，強度、硬度高，耐磨損、耐高溫和耐腐蝕性好。此外，本發明設備、工藝簡單，成本低，適用面廣。本發明所涉及的方法可應用於軍事和民用工業裝備中承受磨損、腐蝕和高溫環境的裝備零部件表面強化與防護。
具體實施方式
本發明用於製備復相陶瓷塗層的工藝流程為確定噴塗體系成分配比一反應物料的預處理一自反應型粉芯絲材的製備一待噴塗基體表面預處理一自反應電弧噴塗工藝參數設定一自反應電弧噴塗一獲得復相陶瓷塗層一後處理。下面以製備TiC-TiB2復相陶瓷塗層為例說明本發明的具體實施方法選用平均粒徑小於20 μ m的化學純Ti粉、平均粒徑小於5 μ m的B4C粉為反應原料，以平均粒徑小於43 μ m的化學純Ni粉為金屬添加劑，將三者按一定比例置於砂磨機中，在酒精介質中溼磨24小時，混合均勻後在100°C溫度下乾燥，以鋁合金為金屬外皮，製備直徑3mm的自反應型粉芯絲材。利用CMD-AS-3000電弧噴塗設備進行自反應電弧噴塗，試驗時工藝參數為噴塗電壓28V，噴塗電流180A，空氣壓力O. 5MPa，噴塗距離160mm。本發明製備的復相陶瓷塗層的相組成和性能如下塗層由TiC, Ti (C，N)、TiB2' Al2O3' (AlNi)及(Ti，Al)等多相組成；陶瓷塗層的孔隙率為4. 2%，平均維氏顯微硬度為Ηνα21680，ΜΜ-200型磨損試驗機測試磨損率為8. 53 X 10Vkgf ·千轉。
權利要求
1.一種復相陶瓷塗層的自反應電弧噴塗製備方法，其特徵在於用普通電弧噴塗設備，噴塗包覆有自蔓延高溫合成反應(SHS)特徵的複合體系的粉芯絲材。噴塗過程中，以電弧熱能引燃複合體系的SHS反應，在生成目標陶瓷相的同時，利用電弧熱能與SHS反應放熱使合成產物熔融，在霧化氣體壓力作用下，熔融產物高速沉積於金屬基體上，獲得以陶瓷相為主體的復相塗層。
2.根據權利要求I所述的復相陶瓷塗層製備方法，其特徵在於將自蔓延高溫合成技術與電弧噴塗技術進行集成創新，將陶瓷材料的原位合成與陶瓷塗層的製備統一在一個連續、完整的工序中，從而實現利用電弧噴塗方法製備以陶瓷相為主體的復相塗層。
3.根據權利要求I所述的復相陶瓷塗層製備技術，其特徵在於復相陶瓷為原位合成，即所獲得的復相陶瓷塗層在組織與結構上與噴塗原料完全不同，它是噴塗材料間發生化學反應合成的新相。根據這一特徵，可利用低成本原材料製備高性能復相陶瓷塗層。
4.根據權利要求I和權利要求3所述的陶瓷塗層製備技術，其特徵在於用於包裹粉芯的金屬外皮材料可以作為反應組元之一參與體系的SHS反應，且其反應產物為有益於提高復相塗層綜合性能的陶瓷相。根據這一特徵，可利用該方法製備具有高陶瓷相含量的復相陶瓷塗層。
全文摘要
本發明公開了一種復相陶瓷塗層的原位反應合成製備方法。選擇適宜的金屬外皮材料，其內包裹一種自蔓延高溫合成(SHS)體系的反應型藥芯，製備粉芯絲材；利用電弧噴塗設備進行自反應電弧噴塗，噴塗過程中通過電弧引燃噴塗體系的高放熱SHS反應，在快速生成目標陶瓷相的同時，利用電弧能量與SHS反應放熱獲得高溫陶瓷熔體，並以高壓霧化氣體使其鋪展於金屬基體表面，利用高溫陶瓷熔體的快速凝固特徵，獲得具有微納米晶結構特徵的高性能復相陶瓷塗層。本發明設備簡單，成本低，適用面廣，可應用於軍事和民用工業裝備中承受磨損、腐蝕和高溫環境的零部件表面強化與防護。
文檔編號C23C4/10GK102877018SQ20111019324
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者劉宏偉, 孫曉峰, 邱驥, 陸大勤 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院