一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，包括金属基体、Ni3Al过渡层和TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，金属基体、过渡层和表面涂层都采用粉末混料进行热压烧结反应并保温扩散制成。本发明还公开了一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料制备方法，包括以下步骤：S1、将重量百分比为9.3%Al粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉混合均匀后制成表面涂层压坯；S2、将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉混合均匀后制成过渡层压坯；S3、将金属粉制成基体压坯；S4、将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成。
【专利说明】一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及涂层【技术领域】，尤其涉及一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现代工业工作环境的严酷性，迫切需要工件能够在高温，耐蚀等工况下工作，对于材料的整体要求越来越高。在保留工件基本构造和成分不变的前提下，只在工件关键部位实行涂层防护，既能有效地保护工件，又能节约成本。
[0003]对于涂层，本质是各种键的结合，因此如何获得高的键能结合是解决涂层结合强度的根本。特别对于钢铁工件而言，目前涂层有效的制备方法主要有热喷涂、气相沉积技术、复合镀层技术和高能束技术等。这些方法利用热能或化学反应实现在钢铁表面涂层的冶金结合或冶金机械结合共存。但是这些方法是在已成型的钢铁表面制备涂层，涂层与构件表面匹配性和相容性限制了其发展。主要表现为钢铁表面要预处理且涂层在制备过程中的应力状态和成分要尽量与钢表面等参数匹配。由于是利用热能或化学反应来制备冶金涂层，容易产生气泡和夹杂，难以获得牢固、干净的界面结合，且涂层本身的致密度和韧性不高，容易发生开裂、翘曲和脱落，影响涂层的使用和发展前景。
[0004]为了解决这一问题，中国专利ZL200610038185.0公开了一种涂层制备方法，采用钢液浇注与自蔓延工艺结合制备TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层。这种涂层能实现与钢铁基体的冶金结合，且本身耐蚀耐磨，是一种理想的涂层材料。但是由于热量来源与浇注钢液、涂层的合成和界面的状态不易控制，成品率不高。
[0005]利用粉末冶金工艺的特殊性，采用制备工件与涂层同时成型的整体材料是能解决上述不利影响的有效途径。且粉末冶金中的压力能使界面结合良好，涂层本身致密，不存在工件表面要预处理等过程。所以选用一种能原位反应合成的高强、耐磨优质复合材料作为涂层，且本身的放热有利于涂层的原位合成，并与工件表面匹配形成扩散层是一解决方案。
【发明内容】
[0006]为了解决【背景技术】中存在的技术问题，本发明提出了一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料及其制备方法，通过结构设计和制备方法设计，解决了钢铁表面制备涂层时易产生气泡和夹杂，难以获得牢固、干净的界面结合，且涂层本身的致密度和韧性不高，容易发生开裂、翘曲和脱落等问题，且能充分利用了热能和压力，节约了能源。
[0007]本发明提出的一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，包括金属基体，在所述金属基体表面形成Ni3Al过渡层，在所述过渡层表面形成TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，所述金属基体、过渡层和表面涂层都采用粉末混料进行热压烧结反应并保温扩散而成。
[0008]优选地，所述表面涂层按照重量百分比采用9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均匀混合制成。
[0009]优选地，所述表面涂层中TiC颗粒的理论体积分数为30%。[0010]优选地，所述过渡层按照重量百分比采用86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均匀混合制成。
[0011]本发明中，上述公开的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料与现有技术相比，具有以下优点:通过设计TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，利用TiC颗粒在Ni3Al中分布良好、结合牢固且TiC颗粒硬度高的优点，获得高强度的表面；同时设计Ni3Al过渡层，利用Ni3Al与粉末冶金基体结合牢固、界面好且与TiC颗粒结合牢固的优点，将TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层与粉末冶金基体通过过渡层进行结合，从而防止TiC颗粒与粉末冶金基体直接结合，克服TiC颗粒与粉末冶金基体结合不牢固导致易产生气泡和夹杂的缺陷。
[0012]本发明还提出了一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0013]S1、将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均匀混合，将混合均匀后的涂层混料制成表面涂层压坯；
[0014]S2、将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均匀混合，将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯；
[0015]S3、将金属粉制成基体压坯；
[0016]S4、将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成。
[0017]优选地，在步骤SI中均匀混合方式为:将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉末在球磨机上进行混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1。
[0018]优选地，在步骤S2中均匀混合方式为:将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉粉末在球磨机上混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1。
[0019]优选地，在步骤S4中热压烧结反应及保温扩散过程中:最高施加压力30_45MPa，最高烧结温度1000-1150°C，保温时间120-180min。
[0020]优选地，在步骤S4中，压力施加速率与升温速率同步。
[0021 ] 优选地，在步骤SI中，在25MPa压力下将混合均匀的涂层混料制成表面涂层压坯，其厚度为2-3mm ;在步骤S2中，在25MPa压力下将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯，其厚度为0.8-1.2mm ;在步骤S3中，在25MPa压力下将钢/铁粉制成基体压坯，其厚度为12-15mm ;在步骤S4中，在氩气气氛下，在手套箱中分别将过渡层压坯、表面涂层压坯和基体压坯的两个端面打磨清理，然后按照从上到下顺序将将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯依次放入石墨模具中。
[0022]本发明中，上述公开的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法与现有技术相比，具有以下优点:采用粉末冶金工艺，先采用相应粉末混料制成表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯，然后将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成成品，使界面结合良好，涂层本身致密，并能充分利用了热能和压力，从而节约能源。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明中一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的SEM分析图；
[0024]图2为图1中表面涂层的EDS分析图；[0025]图3为图1中过渡层的EDS分析图；
[0026]图4为图1中金属基体的EDS分析图；
[0027]图5为本发明中一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法的框图。【具体实施方式】
[0028]如图1-5所示，图1为本发明中一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的SHM分析图；图2为图1中表面涂层的EDSD分析图；图3为图1中过渡层的EDS分析图；图4为图1中金属基体的EDS分析图；图5为本发明中一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法的框图。
[0029]为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0030]在本发明中，采用的Ni粉、Al粉、Ti粉、C粉和Fe粉的纯度分别为99.5%,99.0%、99.5%T1、99.9%和99.0%，颗粒粒度分别为500目、300目、300目、300目和200目。
[0031]实施例1
[0032]请参考图1-5，本发明提出的一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，包括金属基体，在所述金属基体表面形成Ni3Al过渡层，在所述过渡层表面形成TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，所述金属基体、过渡层和表面涂层都采用粉末混料进行热压烧结反应并保温扩散而成，其中，表面涂层中TiC颗粒的理论体积分数为30% ；
[0033]上述金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料可以由以下步骤制得:
[0034]S1、将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨机上进行混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1，在25MPa压力下将混合均匀的涂层混料制成表面涂层压坯，其厚度为2mm ；
[0035]S2、将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨机上混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1，在25MPa压力下将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯，其厚度为1.2mm ；
[0036]S3、在25MPa压力下将钢/铁粉制成基体压坯，其厚度为15mm ；
[0037]S4、在氩气气氛下，在手套箱中分别将过渡层压坯、表面涂层压坯和基体压坯的两个端面打磨清理，然后按照从上到下顺序将将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯依次放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成，其中，最高施加压力30MPa，最高烧结温度1000°C，保温时间180min且压力施加速率与升温速率同步。
[0038]实施例2
[0039]请参考图1-5，本发明提出的一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，包括金属基体，在所述金属基体表面形成Ni3Al过渡层，在所述过渡层表面形成TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，所述金属基体、过渡层和表面涂层都采用粉末混料进行热压烧结反应并保温扩散而成，其中，表面涂层中TiC颗粒的理论体积分数为30% ；
[0040]上述金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料可以由以下步骤制得:
[0041]S1、将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨机上进行混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1，在25MPa压力下将混合均匀的涂层混料制成表面涂层压坯，其厚度为2.5mm ；
[0042]S2、将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨机上混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1，在25MPa压力下将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯，其厚度为Imm ;
[0043]S3、在25MPa压力下将钢/铁粉制成基体压坯，其厚度为13mm ；
[0044]S4、在氩气气氛下，在手套箱中分别将过渡层压坯、表面涂层压坯和基体压坯的两个端面打磨清理，然后按照从上到下顺序将将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯依次放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成，其中，最高施加压力45MPa，最高烧结温度1150°C，保温时间120且压力施加速率与升温速率同步。
[0045]实施例3
[0046]请参考图1-5，本发明提出的一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，包括金属基体，在所述金属基体表面形成Ni3Al过渡层，在所述过渡层表面形成TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，所述金属基体、过渡层和表面涂层都采用粉末混料进行热压烧结反应并保温扩散而成，其中，表面涂层中TiC颗粒的理论体积分数为30% ；
[0047]上述金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料可以由以下步骤制得:
[0048]S1、将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉在球磨机上进行混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1，在25MPa压力下将混合均匀的涂层混料制成表面涂层压坯，其厚度为3mm ；
[0049]S2、将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉在球磨机上混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1，在25MPa压力下将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯，其厚度为0.8mm ；
[0050]S3、在25MPa压力下将钢/铁粉制成基体压坯，其厚度为14mm ；
[0051]S4、在氩气气氛下，在手套箱中分别将过渡层压坯、表面涂层压坯和基体压坯的两个端面打磨清理，然后按照从上到下顺序将将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯依次放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成，其中，最高施加压力40MPa，最高烧结温度1100°C，保温时间150min且压力施加速率与升温速率同步。
[0052]在实施例1-3中获得的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，具有三层结构，分别为基体、过渡层、表面涂层，其SEM分析图如图1所示；其中，表面涂层为TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，生成的TiC颗粒的理论体积分数为30%，其EDS分析图如图2所示；过渡层为Ni3Al过渡层，其EDS分析图如图3所示；金属基体为铁基体，其EDS分析图如图4所示。
[0053]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，其特征在于，包括金属基体，在所述金属基体表面形成Ni3Al过渡层，在所述过渡层表面形成TiC颗粒增强Ni3Al表面涂层，所述金属基体、过渡层和表面涂层都采用粉末混料进行热压烧结反应并保温扩散而成。
2.根据权利要求1所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，其特征在于，所述表面涂层按照重量百分比采用9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均匀混合制成。
3.根据权利要求2所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，其特征在于，所述表面涂层中TiC颗粒的理论体积分数为30%。
4.根据权利要求2所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料，其特征在于，所述过渡层按照重量百分比采用86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均匀混合制成。
5.一种金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: S1、将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉均匀混合，将混合均匀后的涂层混料制成表面涂层压坯； S2、将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉均匀混合，将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯； S3、将金属粉制成基体压坯； S4、将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯放入石墨模具中，在真空环境下对压坯进行热压烧结反应并保温扩散制成。
6.根据权利要求5所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤SI中均匀混合方式为:将重量百分比为9.3%A1粉、5.9%C粉、60.8%Ni粉和23.0%Ti粉末在球磨机上进行混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1。
7.根据权利要求5所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中均匀混合方式为:将重量百分比为86.8%Ni粉和13.3%的Al粉粉末在球磨机上混料，混料时间为12小时，球料质量比为3:1。
8.根据权利要求5所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中热压烧结反应及保温扩散过程中:最高施加压力30-45MPa，最高烧结温度1000-1150°C，保温时间 120-180min。
9.根据权利要求8所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，压力施加速率与升温速率同步。
10.根据权利要求5所述的金属基耐磨耐蚀表面涂层复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤SI中，在25MPa压力下将混合均匀的涂层混料制成表面涂层压坯，其厚度为2-3mm;在步骤S2中，在25MPa压力下将混合均匀后的涂层混料制成过渡层压坯，其厚度为0.8-1.2mm ;在步骤S3中，在25MPa压力下将钢/铁粉制成基体压坯，其厚度为12_15mm ;在步骤S4中，在氩气气氛下，在手套箱中分别将过渡层压坯、表面涂层压坯和基体压坯的两个端面打磨清理，然后按照从上到下顺序将将表面涂层压坯、过渡层压坯和基体压坯依次放入石墨模具中。
【文档编号】B22F3/14GK103464764SQ201310383107
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】杨子润, 蔡杰, 李新星, 王树奇, 顾茂云 申请人:盐城工学院