一种(FeAl＋Cr₇C₃)/γ-(Fe,Ni)复合涂层的制备方法

专利名称：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。
技术背景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A1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^"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 1A0，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(FeAI+Cr7C3)/Y-(Fe,Ni)复合涂层的制备方法，将FeAI金 属间化合物和Cr7C3硬质相引入涂层中，并与韧性相Y-(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) / y - (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 30mra;在铁基合金粉末体系的基础上，添加重量 百分比为10 15%的Al203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 0.8m7h，等离子气(Ar): 0.4 0.8 mVh，保护气(Ar): 0.4 0.8 m7h。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) / y - (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%、 Mo 3. 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A1A粉末，均匀混合作为涂层材料。在等离子熔覆过程中，A1A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y-(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。.2900 1100，在SRV高温摩擦磨损试验机上分别进行常温和500 。C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 。C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—、h—'，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. 0086 mg , cnf2 h-1。抗高温氧化性能优异。


图1 (FeAl+Cr7C3) / y - (Fe, Ni)复合涂层XRD图谱； 图2实例1 (FeAl+Cr7C3) / y _ (Fe, Ni)复合涂层组织形貌； 图3实例2 (FeAl+Cr7C3) / y - (Fe, Ni)复合涂层组织形貌； 图4实例3(FeAl+Cr7C3)/ y -(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， Fe 88g和A1203 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280 A,扫描速度380画/min，送粉气(Ar): 0. 6mVh， 等离子气(Ar): 0.6mVh，保护气(Ar): 0.6m7h;将低碳钢板切割成150mm X IOO咖 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。.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。C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—'，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. 005 mg 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， Fe 73g和AlA30g。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300 A，扫描速度400鹏/min，送粉气(Ar): 0. 5mVh，等离子气(Ar): 0. 5mVh， 保护气(Ar): 0.5mVh;将Q235钢板切割成150mm X IOO咖大小、厚度为8咖的试块， 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Cr32.5%-Fe41.2%-Ni4.5%-Mo 3.2%-Si 3.4%-Al 15.2。/。涂层的显微硬度可达HV。.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 。C高温循环氧化试验表明，在氧化初始的 10h，氧化增重率0.015 mg* 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. 004 mg 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， Fe 79g和AlA24g。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300 A，扫描速 度400mm/min，送粉气(Ar): 0. 6m3/h，等离子气(Ar): 0. 6mVh，保护气(Ar): 0. 6mVh; 将Q235钢板切割成150mm X 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。.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 。C高温循环氧化试验表明，在氧化 初始的10h,氧化增重率0. 020 mg cm—2 h—、并且涂层表面形成致密的氧化膜，当高温 氧化进行到lOOh，其增重率为0. 007 mg cm—2 h—、抗高温氧化性能优异。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号C23C24/10GK101245461SQ20081010225
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月19日 优先权日2008年3月19日
发明者俞宏英, 孙冬柏, 孟惠民, 张丽民, 樊自栓, 王旭东 申请人:北京科技大学