一种原位异质形核反应制备定向生长M7C3涂层的制备装置的制作方法

本实用新型涉及耐磨涂层领域，特别是一种原位异质形核反应制备定向生长M₇C₃涂层的装置。

背景技术：

高铬铁基复合材料是一种性能优良的耐磨材料。因其具有高硬度、耐磨损、化学稳定性、高熔点、较低的线膨胀系数等，常用于制造硬质合金，被广泛用于矿山、水泥等领域的耐磨机械，如：颚式矿石破碎机的颚板及锤式破碎机的锤头。复合碳化物M₇C₃(M=Cr,Fe)为高铬铁基复合材料的增强相，该碳化物生长为长柱状，具有明显的各向异性，其横截面硬度及耐磨性均高于纵截面。因此制备定向生长M₇C₃材料是提高耐磨性的重要途径。

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，更不能在任何形状工件表面制备出定向生长M₇C₃涂层。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种原位异质形核反应制备定向生长M₇C₃涂层的装置，在零件表面制备定向生长M₇C₃涂层,不仅耐磨性得到提高，而且表面涂层与整体块状材料相比原料消耗少，可节约大量昂贵合金粉末。

本实用新型的技术构思：本实用新型采用等离子原位异质形核反应制备定向生长M₇C₃涂层。由于Cr₃C₂自由能较高，在Fe基合金熔池中容易发生脱碳反应，并自发向自由能较低、稳定性更高的M₇C₃(M=Cr,Fe)转变。同时Cr₃C₂可作为初生相M₇C₃的非匀质形核基底，从而促进M₇C₃形核生长，不仅能提高M₇C₃生成量，而且M₇C₃柱体结构缺陷少、更完整。另外，M₇C₃的本征生长特征为六方棱柱状，表1为M₇C₃晶体各晶面的自由能E_surf和生长速度R_hkl，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E_surf分别为-9.2955和-9.13474 kcal/mol/Å，生长速率R_hkl分别为1.01843和0.96411/Å；{011} {002}界面能E_surf分别为-2.67987和-2.65248 kcal/mol/Å，生长速率R_hkl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}，所以生长速率较快，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，所以若想实现初生相M₇C₃定向生长，需维持一维热流方向，这样不仅可抑制M₇C₃晶体其他方向生长，而且能使所有M₇C₃晶体沿逆热流方向长大，获得定向生长M₇C₃。

表1 M₇C₃晶体各晶面的自由能E_surf和生长速度R_hkl

本实用新型技术方案为：

一种原位异质形核反应制备定向生长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。

一种原位异质形核反应制备定向生长M₇C₃涂层的方法，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放入工件支架，夹紧固定；

2)配置原位反应合金粉末，反应合金粉末包括Cr₃C₂粉、Fe-Ni粉，按比例混合后，装入载流气体为氩气的送粉器中；

3) 根据涂层宽度在基板表面两侧粘结两个平行放置的耐高温陶瓷保温板；

4)打开循环冷却水系统对基板底部冷却；

5)采用数控控制同轴自动送粉等离子原位冶金工艺，反应得到M₇C₃涂层。

优选地，所述合金粉末包括以下按质量百分比计组分：Cr₃C₂粉15%-50%、余量为Fe-Ni粉；

所述Fe-Ni粉中Ni质量百分比为30%；Fe质量百分比为69%；Re质量百分比为1%。

所述Cr₃C₂粉粒度为100-150μm，所述Fe-Ni粉粒度为60-180μm。

优选地，所述步骤2）涂层的合金粉采用同轴自动送粉。

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) 等离子原位冶金工艺参数为：电流：80-110A；电压：40-50V；离子气流量：3-5L/min；保护气流量为：7-8L/min；送粉速度：10-20g/min；送粉气流量：1.5-3L/min；CNC移动速度：50-80mm/min；涂层制备边用硅酸铝陶瓷纤维覆盖熔池表面保温。

更进一步优选地，所述陶瓷纤维的厚度为30-50mm，耐热温度为1200-1300℃。

本实用新型有益效果：

1） 利用Cr₃C₂及Fe-Ni合金混合粉末为原料，在预处理的基板上采用同轴自动送粉等离子原位冶金工艺制备涂层，并对涂层熔池进行实时保温，同时利用冷却水对熔池底部强制冷却，以获得M₇C₃定向生长所需的温度梯度。

2) 该方法为原位异质形核反应制备定向生长M₇C₃，不仅提高了M₇C₃的形核率，增加了反应生成量，而且生成的M₇C₃结构缺陷少、更完整。

3) 该方法生成的M₇C₃为原位自生，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。

4) 该方法基板底部采用循环冷却水从涂层底部强制制冷，循环冷却水温度为2-3℃，流速为1-1.5m/s，从而保障把熔池热量迅速带走，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，所用的冷却系统与同轴自动送粉等离子原位合金工艺设备简单、稳定、易操控。

5) 该方法制备定向生长M₇C₃涂层时合金原料消耗小，与块状材料相比，可节省大量昂贵金属。

6) 该方法为同轴送粉工艺，与预敷粉末工艺相比提高了效率，且对基板形状适应性更强，可在规则、非规则零部件表面制备定向生长M₇C₃涂层。

综述，本实用新型有益效果为：利用原位异质形核反应制备定向生长的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；原位异质形核可提高反应产物M₇C₃的生成量，且定向生长的M₇C₃是在基体内原位自生形成，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实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型原位合成定向生长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为本实用新型原位合成定向生长M₇C₃涂层金相显微组织图(含基体材料)。

图3为本实用新型原位合成定向生长M₇C₃三维柱体结构的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实用新型，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

本实用新型提出一种原位异质形核反应制备定向生长M₇C₃涂层的方法，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与涂层基体的金相显微组织图；图3为去除周围基体后电镜下观察到的定向生长M₇C₃三维柱状结构；图4为采用传统工艺制备的杂乱生长M₇C₃三维柱状结构的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。可以看到本实用新型原位合成的M₇C₃几何结构完整，并沿柱体纵向定向生长（热流方向），具有较高的耐磨性和断裂韧性。

实施例1

一种原位异质形核反应制备定向生长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陶瓷保温板9。

将20%的Cr₃C₂粉末（粒度100-150μm）及80%的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，装入自动送粉器中；开启等离子弧枪11，工艺参数为：电流：80A；电压：40V；离子气流量：3L/min；保护气流量为：7L/min；送粉速度：10g/min；送粉气流量：1.5L/min；CNC移动速度：50-80mm/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33.6vol%。

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25.6(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K_IC=23MPa.m^1/2（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陶瓷保温板9。

将30%的Cr₃C₂粉末（粒度100-150μm）及70%的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，装入自动送粉器中；开启等离子弧枪11，工艺参数为：电流：110A；电压：50V；离子气流量：5L/min；保护气流量为：8L/min；送粉速度：20g/min；送粉气流量：3L/min；CNC移动速度：80mm/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43.9vol%。

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22.3(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K_IC=21MPa.m^1/2（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陶瓷保温板9。

将40%的Cr₃C₂粉末（粒度100-150μm）及60%的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，装入自动送粉器中；开启等离子弧枪11，工艺参数为：电流：100A；电压：45V；离子气流量：4L/min；保护气流量为：7.5L/min；送粉速度：15g/min；送粉气流量：2.5L/min；CNC移动速度：70mm/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56.2vol%。

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19.8(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K_IC=18MPa.m^1/2（图5）。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。