一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法
【专利摘要】一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，首先从基体强化与强化相增强的目的，设计多尺度双相强化金属陶瓷的结构特征；其次考虑到超音速火焰喷涂纳米WC分解和冷喷涂沉积难于变形金属陶瓷颗粒存在的问题，基于冷喷沉积涂层的机理，采用不同密度金属陶瓷粉末，通过冷喷涂预热气体温度和压力、送粉气体温度和压力的调整，克服金属陶瓷涂层连续沉积的困难，为沉积厚、多尺度陶瓷粉末双相强化金属陶瓷提供一种新方法。
【专利说明】一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型金属陶涂层的设计与制备等领域，涉及一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，为高韧性和高抗磨性能的金属陶瓷涂层提供了新工艺。
[0002]背景知识
金属陶瓷是用于制备抗磨零部件的主要材料之一。材料的抗磨性与材料的组织结构有密切关系，而金属陶瓷中硬质颗粒对抗磨性贡献与其承受的载荷、磨料特性(硬度、形貌)及接触区域大小等因素有关。随着工矿对材料性能要求的提高，单一陶瓷颗粒强化的金属陶瓷难于满足不同磨损的要求。对WC-Co金属陶瓷材料研究表明，陶瓷颗粒大小对其硬度和韧性有不同的影响趋势，当WC颗粒由微米减到纳米尺寸时，WC-Co金属陶瓷的硬度大幅增加，但材料的韧性有所降低，在微粒磨损条件下基体相中的纳米碳化物易于脱落而导致磨损加剧。因此，磨损工矿对金属陶瓷硬质相尺寸提出了不同要求，细小颗粒陶瓷硬质相强化基体相有利于减小基体相的切削磨损，而较大颗粒陶瓷硬质相能抵御大载荷磨料对整体的磨损，基于多尺度碳化物颗粒基体相强化与强化相匹配的问题，设计多尺度陶瓷硬质相双相强化金属陶瓷结构具有一定意义。提高零件表面强度和耐磨性是延长零件寿命的主要途径之一，而如何在零件表面形成一定厚度的多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷是实现上述目标的关键所在。超音速火焰喷涂虽然被广泛用于沉积金属陶瓷涂层，但对于沉积多尺度陶瓷颗粒的金属陶瓷粉末，存在细小碳化物颗粒氧化分解和熔化等导致的耐磨性能下降和韧性降低等问题。
[0003]冷喷涂是一种基于粒子动能转化为变形能的材料沉积工艺，可实现材料结构的移植而广泛用于沉积受热易于分解和结构转化、易于塑性变形的材料。但由于连续沉积是依靠粒子塑性变形的固有特性，对于沉积难于变形的材料如陶瓷、高硬度的合金、金属陶瓷等存在一定的困难。因此，如何在零件表面制备一定厚度的多尺度陶瓷颗粒双相强化金属陶瓷，对于解决金属陶瓷强韧化和涂层制备具有一定理论有意义和实用价值。
[0004]本发明其目的就在于提供一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，基于陶瓷颗粒对金属陶瓷的强化特征，设计具有多尺度陶瓷颗粒特征的涂层结构，即陶瓷颗粒尺度从纳米、近(微)纳米到微米。涂层具有良好的耐磨性和强韧性，是获得高耐磨性能和良好韧性金属陶瓷涂层的一种新方法。
【发明内容】
[0005]为实现上述目的，本发明而采取的技术方案，包括沉积用原始粉末的选择和沉积工艺的制定。
[0006]本发明一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，金属陶瓷涂层使用的喷涂粉末由纳米、亚微米和微米级的陶瓷粉末组成。纳米、亚微米和微米级陶瓷粉末的粒径范围依次为:〈100 nm、200 ?500 nm、0.6-2.5 μ m，质量百分含量依次为 15% ?20%、25% ?35%、45% ?55%。
[0007]冷喷涂工艺条件为: 采用氮气作为送粉末气体和预热加速气体，预热加速气体的温度、压力分别为650?8000C >2.0?2.2MPa，送粉气体的温度、压力分别为100?500。。和2.2?2.4MPa。
[0008]所述的陶瓷粉末可以是碳化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金刚石陶瓷颗粒中的一种或几种。
[0009]所述的陶瓷粉末的孔隙率在5%?30%。
[0010]本发明的优点
本发明所述的多尺度陶瓷粉末双相强化是指纳米级陶瓷粉末对基体相的整体强化和亚微米和微米级粉末的支撑强化，基体强化相的尺度依据陶瓷承受的磨损载荷和磨料特性确定，可从纳米、亚微米到微米，支撑强化的陶瓷颗粒尺度主要为微米陶瓷粉末。
[0011]本发明优点在于，一是设计了多尺度陶瓷粉末强化涂层结构，以纳米级粉末实现基体相整体强化，及亚微米和微米级粉末实现支撑强化和改善韧性，使金属陶瓷涂层获得良好的耐磨性和强韧性的涂层结构。二是采用冷喷涂工艺和合理孔隙率的金属陶瓷粉末，结合控制冷喷涂沉积工艺中预热加速气体和送粉气体的温度和压力，改善金属陶瓷粉末的沉积特性和沉积效率，实现难变形金属陶瓷粉末的冷喷沉积和致密多尺度金属陶瓷涂层制备，克服了等离子喷涂和超音速火焰喷涂工艺引起的氧化、熔化和热分解等问题。
【具体实施方式】
[0012]以下依照本发明的技术方案作出具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些实例。
[0013]实例I
针对WC和Co构成的金属陶瓷涂层，选用多尺度WC-12CO (wt.%)金属陶瓷粉末为喷涂粉末，该粉末内部纳米级WC粒子、亚微米级WC粒子和微米级WC粒子的含量分别为20%、25%和55%，粉末的孔隙率在5-30%之间变化。采用CS-2000型冷喷系统制备涂层，以孔隙率为10-20%的多尺度WC-12CO金属陶瓷粉末为喷涂粉末，以氮气为加速气体和送粉气体，压力2.0和2.2Mpa，送粉气温度为100-50(TC，加速气体温度650°C，在低碳钢基体上沉积一层厚度约200 μ m左右的致密WC-Co多尺度金属陶瓷涂层。
[0014]实例2
针对WC和CoCr构成的金属陶瓷涂层，选用多尺度WC-10Co4Cr金属陶瓷粉末为喷涂粉末，该粉末内部纳米级WC粒子、亚微米级WC粒子和微米级WC粒子的含量分别为15%、35%和45%，粉末的孔隙率10-20%。采用CS-2000型冷喷系统制备涂层，以氮气为加速气体和送粉气体，压力2.0和2.2Mpa，送粉气温度为100-500°C，加速气体温度700°C，在不锈钢基体上沉积厚度约150 μ m左右的WC-10Co4Cr多尺度金属陶瓷涂层。
【权利要求】
1.一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，其特征在于:金属陶瓷涂层使用的喷涂粉末由纳米、亚微米和微米级的陶瓷粉末组成；纳米、亚微米和微米级陶瓷粉末的粒径范围依次为:〈100 nm、200?500 nm、0.6-2.5 μ m,质量百分含量依次为15%?20%、25%?35%、45% ?55% ； 冷喷涂工艺条件为: 采用氮气作为送粉末气体和预热加速气体，预热加速气体的温度、压力分别为650?8000C >2.0?2.2MPa，送粉气体的温度、压力分别为100?500。。和2.2?2.4MPa。
2.根据权利要求所述的一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，其特征在于:所述的陶瓷粉末可以是碳化物、氮化物、硼化物、硫化物、磷化物、金刚石陶瓷颗粒中的一种或几种。
3.根据权利要求所述的一种多尺度金属陶瓷涂层及其制备方法，其特征在于:所述的陶瓷粉末的孔隙率在5%?30%。
【文档编号】C23C24/02GK104278267SQ201410591646
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】纪岗昌, 王洪涛, 陈枭, 白小波, 董增祥 申请人:九江学院