本发明涉及耐磨涂层领域，特别是一种原位合成定向生长m7c3涂层的制备方法。
背景技术：
铁基碳化物m7c3(m=cr,fe)增强材料是一种性能优良的耐磨材料，被广泛用于矿山、水泥、火力发电等行业，具有“工业牙齿”的美称。近年来，随着我国“一带一路”战略的实施以及大型水利工程、桥梁工程及高速铁路等重大项目的建设，对耐磨损性能更高、节能效果更优、磨耗更低的耐磨材料需求随之增加。但当增加m7c3含量来提高材料的抗磨性时，发现其耐磨性不升反降，二者呈反比关系。其原因是铁基碳化物m7c3为柱状生长特征，当两个m7c3柱体生长相交时会在相交处产生微裂纹，微裂纹随着m7c3含量的增加而增多，达到一定值时将引起宏观裂纹的产生，使材料提前失效破坏，出现耐磨性不升反降的问题。而m7c3定向生长不仅可避免柱体间相交裂纹的产生，同时因m7c3柱体的横截面硬度均高于纵截面，所以定向生长的m7c3横截面均处于工作面，使耐磨性得到提高。
专利公告号为cn106086592a的发明专利公开了“一种碳化物定向生长耐磨钢铁的制备方法”，其以石墨粉、高纯铁粉及合金粉末为原料，经球磨混料后用压片机压成多根柱形试样，再叠放到一端开口一端闭口的石英管内，在真空状态下对石英管感应加热熔炼，待冷却后打碎石英管取出耐磨材料。
上述方案中，制备的耐磨材料为整体块状，且材料块体大小受石英管的管径尺寸限制，所以不适用于尺寸较大的工件，更不能在任意形状工件表面制备出定向生长的m7c3涂层。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种原位合成定向生长m7c3涂层的制备方法，在零件表面制备抗磨涂层不仅耐磨性得到提高，而且表面涂层与整体块状相比所用原料较少，从而可节约大量昂贵合金粉末。
本发明的技术构思：本发明采用等离子原位合成法制备定向生长m7c3涂层。由于cr为中等强度碳化物形成元素，所以通过冶金反应ncr+(7-n)fe+3c=m7c3(m=cr,fe)较容易生成m7c3。另外，m7c3的本征生长特征为长柱状，表1为m7c3晶体各晶面的自由能esurf和生长速度rhkl，其中m7c3晶体界面能越高的晶面其生长速率越大，反之界面能越小晶面生长速率越小，如：{640}{620}的界面能esurf分别为-9.2955和-9.13474kcal/mol/å，生长速率rhkl分别为1.01843和0.96411/å；{011}{002}界面能esurf分别为-2.67987和-2.65248kcal/mol/å，生长速率rhkl分别为0.11519和0.13107/å，这遵循晶体生长的热力学与动力学定律。由晶体生长gibbs-wulff定理及bfdh模型可知：m7c3晶体中晶面{640}{620}{260}等生长较快，从而决定碳化物m7c3生长形态时的形态重要性较小，最终消失，而晶面{011}{002}{101}{111}生长速率较小，其决定m7c3生长形态的重要性最大，最终显露出来。长大后m7c3晶体由{011}{002}{101}晶面组成，由于晶面{011}与晶面{002}的面数和为6，从而组成一个近似六面结构。因晶面{101}界面能远高于{011}与{002}，生长速率较快，最终显露面积最小，所以m7c3晶体本征生长形态为长六棱柱状。可见在理论上不仅较容易合成m7c3，且其本身具有单向生长的物理特性。因晶体长大方式和进程主要是由热流控制，所以若想实现m7c3定向生长，需维持一维方向热传导，这样不仅抑制了m7c3晶体其他方向生长，而且能使所有m7c3晶体沿逆热流方向推进长大，获得定向生长的m7c3。
表1m7c3晶体各晶面的自由能esurf和生长速度rhkl
本发明技术方案为：
一种原位合成定向生长m7c3涂层的制备装置，所述装置包括工件支架，所述支架上设有基板，所述基板上方涂层反应熔池，所述涂层反应熔池两侧设有陶瓷保温板，所述陶瓷保温板上方设有等离子弧枪；
所述基板底部设有冷却水槽，所述冷却水槽与进水管连接，所述进水管与水泵连接，所述水泵与制冷机连接，所述制冷机与出水管连接。
优选地，所述陶瓷保温板、涂层反应熔池上方设有保温陶瓷纤维。
进一步优选地，所述冷却水槽、进水管、水泵、制冷机、出水管之间设有阀门，所述陶瓷保温板材质为刚玉。
一种原位合成定向生长m7c3涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)清理基板表层污物，若在零件表面制备涂层时，则需对其表面进行喷砂处理，然后将预处理好的基板或零件放入工件支架，夹紧固定；
2)配置并混合用于原位反应的合金粉末；
3)根据涂层宽度把混合好的合金粉末预敷在基板表面，对其捣实压平，再沿预敷层两侧铺设耐高温陶瓷保温板；
4)打开循环冷却水系统对基板底部实施冷却处理；
5)开启等离子弧设备，对预敷层粉末进行加热，边加热边用硅酸铝陶瓷纤维覆盖熔池表面保温，待熔化、反应、冷却后得到m7c3涂层。
优选地，所述步骤2）合金粉末包括以下按质量百分比计组分：cr粉20%-60%、c（石墨）粉5%-8%，余量为fe-ni粉。
所述fe-ni粉中ni质量百分比为30%；re质量百分比为1%；fe质量百分比为69%。
所述cr粉粒度为75-150μm，所述fe-ni粉粒度为60-180μm。
优选地，所述步骤3）涂层的合金粉末采用预敷粉末工艺，预敷层厚度捣实压平后厚度为3-5mm。
优选地，所述步骤3）陶瓷保温板材质为刚玉，其氧化铝含量为99.5%，耐热温度大于1600℃。
优选地，所述步骤4)冷却水水温为2-3℃，流速为1-1.5m/s。
优选地，所述步骤5)等离子弧通过cnc控制按一定速度移动，等离子弧参数为：电流：75-85a；电压：35-45v；离子气流量：5-6l/min；保护气流量为：7-8l/min；cnc移动速度：40-60mm/min。
进一步优选地，所述陶瓷纤维的厚度为30-50mm，耐热温度为1200-1300℃。涂层应边加热边用硅酸铝陶瓷纤维覆盖熔池表面，防止热量从上部散失。
本发明有益效果：
1)该方法为原位自生定向生长m7c3增强相，生成的m7c3不仅与基体界面结合力大，且定向生长的m7c3横截面具有很高的抗磨性能。
2)该方法采用循环冷却水从涂层底部强制制冷，上部采取保温措施，从而在熔池冷却过程中形成由上而下的温度梯度，所用的冷却系统与等离子设备简单、稳定、易操控。
3)该方法制备定向生长m7c3涂层时原料消耗小，与块状材料相比，可节省大量昂贵合金材料。
4)该方法为预敷粉末工艺，对基板的结构形状适应性强，可在规则、非规则零部件表面制备定向生长m7c3涂层。
综述，本发明有益效果为：利用原位合成法制备定向生长的m7c3涂层，与已有定向生长方法相比，该工艺所用设备简单、稳定、易操控；与块状材料相比，表面制备涂层可节省大量昂贵合金，对基板的几何结构适应性强；定向生长的m7c3在基体内原位自生，因此表面干净无污染与母相界面结合强度高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明原位合成定向生长m7c3涂层工艺图。其中1-基体，2-支架，3-进水管，4-水泵，5-制冷机，6-冷却水槽，7-出水管，8-阀门，9-陶瓷保温板，10-涂层反应熔池，11-等离子弧枪，12-保温陶瓷纤维。
图2为本发明原位合成定向生长m7c3涂层金相显微组织图（包括基体材料）。
图3为本发明原位合成定向生长m7c3三维柱状结构的sem图（已去除基体材料）。
图4为传统工艺制备的杂乱生长m7c3三维柱状结构的sem图（已去除基体材料）。
图5为定向生长m7c3涂层的磨损率与断裂韧性强度因子。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
本发明提出一种原位合成定向生长m7c3涂层的制备方法，图1为原位合成定向生长m7c涂层工艺图；图2为定向生长m7c3涂层金相显微组织图（包括基体材料）；图3为定向生长m7c三维柱状结构的sem图；图4为采用传统工艺生成杂乱生长的m7c3三维柱状结构sem图；图5为定向生长m7c3涂层的磨损率与断裂韧性强度因子。可以看到本发明原位合成的m7c3并排沿柱体纵向定向生长（热流方向），其耐磨性和断裂韧性均较高。
以下将通过四个实施例，来完成工件表面定向生长m7c3涂层的制备：
实施例1
一种原位合成定向生长m7c3涂层的制备装置，所述装置包括工件支架2，所述支架2上设有基板1，所述基板1上方涂层反应熔池10，所述涂层反应熔池10两侧设有陶瓷保温板9，所述陶瓷保温板9上方设有等离子弧枪11；
所述基板1底部设有冷却水槽6，所述冷却水槽6与进水管3连接，所述进水管3与水泵4连接，所述水泵4与制冷机5连接，所述制冷机5与出水管7连接。
优选地，所述陶瓷保温板9、涂层反应熔池10上方设有保温陶瓷纤维12。
进一步优选地，所述冷却水槽6、进水管3、水泵4、制冷机5、出水管7之间设有阀门，所述陶瓷保温板材质为刚玉。
实施例2
采用实施例1装置进行制备，首先打磨基板1表面，用丙酮清洗后烘干；将预处理好的基板1放入冷却水槽6的工件支架2上，然后按顺序依次开启阀门8、水泵4、制冷机5对工件进行冷却处理，根据涂层宽度及长度在基板上粘结保温陶瓷板9。
将30%的cr粉（粒度75-150μm）、5.4%的c粉、余量为fe-ni自熔性合金粉（ni=30%；re=1%；fe=69%，粒度为60-180μm）烘干混合均匀后，预敷在保温陶瓷板9之间的工件表面捣实压平；开启等离子弧枪11，工艺参数为：电流：85a；电压：45v；离子气流量：6l/min；保护气流量为：8l/min；cnc移动速度：60mm/min；边制备涂层边用高温陶瓷纤维12覆盖在反应熔池10表面保温。待熔池冷却后获得涂层，测得涂层中原位合成的定向生长m7c3体积分数为27.6vol%。
所得定向生长m7c3涂层在m-2000磨损试验机上与t10配副材料（洛氏硬度hrc=63±1）对磨试验（压力300n，滑动1000米），测得磨损率为34.2(mm3/nm)×10-7；在cmt5015电子万能试验机上测得涂层准静态断裂韧性强度因子kic=26mpa.m1/2（图5）。
实施例3
采用实施例1装置进行制备，首先打磨基板1表面，用丙酮清洗后烘干；将预处理好的基板1放入冷却水槽6的工件支架2上，然后按顺序依次开启阀门8、水泵4、制冷机5对工件进行冷却处理，根据涂层宽度及长度在基板上粘结保温陶瓷板9。
将40%的cr粉（粒度75-150μm）、5.8%的c粉、余量为fe-ni自熔性合金粉（ni=30%；re=1%；fe=69%，粒度为60-180μm）烘干混合均匀后，预敷在保温陶瓷板9之间的工件表面捣实压平；开启等离子弧枪11，工艺参数为：电流：75a；电压：35-45v；离子气流量：5l/min；保护气流量为：7l/min；cnc移动速度：40mm/min；边制备涂层边用高温陶瓷纤维12覆盖在反应熔池10表面保温。待熔池冷却后获得涂层，测得涂层中原位合成的定向生长m7c3体积分数为34.7vol%。
所得定向生长m7c3涂层在m-2000磨损试验机上与t10配副材料（洛氏硬度hrc=63±1）对磨试验（压力300n，滑动1000米），测得磨损率为26.4(mm3/nm)×10-7；在cmt5015电子万能试验机上测得涂层准静态断裂韧性强度因子kic=24mpa.m1/2（图5）。
实施例4
采用实施例1装置进行制备，首先打磨基板1表面，用丙酮清洗后烘干；将预处理好的基板1放入冷却水槽6的工件支架2上，然后按顺序依次开启阀门8、水泵4、制冷机5对工件进行冷却处理，根据涂层宽度及长度在基板上粘结保温陶瓷板9。
将50%的cr粉（粒度75-150μm）、6.2%的c粉、余量为fe-ni自熔性合金粉（ni=30%；re=1%；fe=69%，粒度为60-180μm）烘干混合均匀后，预敷在保温陶瓷板9之间的工件表面捣实压平；开启等离子弧枪11，工艺参数为：电流：78a；电压：42v；离子气流量：5.5l/min；保护气流量为：7.8l/min；cnc移动速度：50mm/min；边制备涂层边用高温陶瓷纤维12覆盖在反应熔池10表面保温。待熔池冷却后获得涂层，测得涂层中原位合成的定向生长m7c3体积分数为42.3vol%。
所得定向生长m7c3涂层在m-2000磨损试验机上与t10配副材料（洛氏硬度hrc=63±1）对磨试验（压力300n，滑动1000米），测得磨损率为24.8(mm3/nm)×10-7；在cmt5015电子万能试验机上测得涂层准静态断裂韧性强度因子kic=21mpa.m1/2（图5）。
以上内容是结合具体实施例对本发明的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的替换，如：更换其他制冷剂、保温材料、粉末配比比例、加热热源或其他基板材料等，都应当视为属于本发明的专利保护范围。