一种高频感应辅助自蔓延NiAl系金属间化合物涂层的制备方法与流程

本发明涉及材料表面工程领域，具体涉及一种高频感应辅助自蔓延nial系金属间化合物涂层的制备方法。

背景技术：

nial系金属间化合物具有熔点高、硬度高、比重轻、热导率高、高的抗氧化性和高温稳定性以及良好的抗冷热疲劳性能。nial系金属间化合物，有望取代现有的镍基及铁基高温合金，应用于更高的温度和更恶劣的环境中。为了改善钢铁的高温性能，常常在其表面涂覆一层nial系金属化合物涂层。在制备nial系金属化合物涂层的表面工程技术中，自蔓延高温合成(shs)技术是一种快速、简单、经济且界面清洁的原位生成nial系金属间化合物涂层的技术。但是，仅仅采用单一shs法制备nial系金属间化合物涂层，尤其在制备薄涂层时，面临shs反应层薄，总放热量少，再加上金属基体良好的导热性，无法使基体金属表面处于熔融状态，导致涂层与金属基体的结合性能不佳。所以，常常要采用辅助热源将基体预热或提升基体表面的温度。与氩弧、激光、加热炉和等离子等相比，高频感应具有工艺简单、加热速度快、热损少、加热效率高、无污染、加工质量高、成本低等优点，可以作为自蔓延复合涂层的辅助热源。但目前，采用高频感应辅助自蔓延制备nial系金属化合物涂层很少。

公布号cn105290406a公布了一种自蔓延方法制备nial系金属间化合物复合自润滑涂层的方法。该方法将金属基体、ni-al压坯、3ni-al-mos2从下向上依次叠放好，点燃ni-al压坯同时加压。该方法仅靠单一shs放热使涂层和基体的界面结合性能不好。公布号cn102925890a公布了一种镍-铝基金属间化合物耐腐蚀涂层的制备方法。该方法采用加热炉作为辅助热源在碳素钢表面原位合成厚nial涂层，该方法无法采用加压装置导致需要非常厚(>10mm)的原材料粉末，这导致材料浪费严重且后续磨削加工量大。山东科技大学机电工程系(袁建军)采用等离子喷涂方法在q235钢基体上原位合成ni-al基金属化合物涂层(袁建军,娄淑梅,王涛,等.等离子原位合成ni-al基金属间化合物涂层的研究[j].热加工工艺,2010,39(2):83-84)。该方法采用等离子喷涂方式导致涂层结合强度不高，与此同时ni和al反应时无法施加外压力导致涂层致密度不大。昆明理工大学材料科学与工程学院(唐淑君)采用激光熔覆方法在h13钢上原位合成ni-al金属化合物涂层(唐淑君,刘洪喜,张晓伟,等.h13钢表面激光选区熔覆ni-al金属间化合物涂层的组织与性能[j].红外与激光工程,2014,43(5):1621-1626)。该方法只能添加少量的al以防止ni和al反应时溅射进而导致涂层孔洞及裂纹多的缺陷，该方法制备的涂层中含ni-al金属间化合物少。公布号cn102888536a公布了一种镍铝基金属间化合物涂层及其制备方法。该方法通过将55～70wt.％ni,25～35wt.％的al和3～15wt.％ti压坯放置在金属基体上，采用电磁感应辅助并加压的方式在金属基体上原位合成镍铝基金属间化合物涂层。该方法自蔓延合成加压时容易导致生成的液相nial在压力作用下被挤出基体和压头。要得到纯ni-al金属间化合物涂层必须采用合适的辅助热源及加压方式。

技术实现要素：

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种一种直接在金属表面借助高频感应辅助自蔓延方法制备光滑、致密、气孔率低、结合强度高的高质量nial涂层。该方法具有加热效率高和成本低的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高频感应辅助自蔓延nial系金属间化合物涂层的制备方法，包含如下步骤：

(1)将ni粉和al粉混匀，然后加入丙酮，在40～55℃超声条件下搅拌，待丙酮挥发至搅拌困难为止；然后真空干燥处理，得到混料；在钢模具底部平铺过渡层形成金属，然后将混料放入钢模中的过渡层形成金属上面，压制成密实度70％～80％的粉块，置于真空干燥环境中备用；

(2)将基体钢板表面用砂纸打磨除去锈迹，并用无水乙醇清洗干净，放入密封环境中备用；

(3)将步骤(1)所得的粉块放置在基体钢板上面，随后一块放入石墨模具中；然后通过高频感应辅助自蔓延反应，即得所述的高频感应辅助自蔓延nial涂层。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的高频感应辅助自蔓延nial系金属间化合物涂层的制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中，ni粉的粒径为2～10μm；al粉的粒径为10～30μm。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中，，ni粉和al粉按ni/al原子比为1:1的比例混合。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中的过渡层形成金属选自ni粉、fe粉、co粉、mo粉或者cr粉。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中的真空干燥处理的条件为70～95℃、真空度<133pa，干燥时间10～15个小时；步骤(1)中置于真空干燥环境中，是在70～95℃，真空度<133pa条件下干燥12～15小时。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中在钢模具底部平铺过渡层形成金属，所述的过渡层形成金属体积＝过渡层厚度0.1～1mm×待涂工件表面面积。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(3)中所述高频感应辅助自蔓延反应过程具体如下：

将试样安放好后连同模具放入感应线圈中盖上箱盖通过液压机向试样施加3～4mpa左右的预压力，同时打开气阀通氩气1～5分钟使箱体内部充满氩气减少箱体中氧气的含量；之后选用200a电流给试样预热40s，此时测温仪显示温度300～400℃，之后关闭电源让试样温度均匀，待5s后打开电源采用250a的电流继续加热直至观察到反应产生的热爆后立即给试样施加20～40mpa的压力并保压50～60s，随后关闭感应加热电源并将试样在氩气环境中自然冷却。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供一种直接在金属表面借助高频感应辅助自蔓延方法制备光滑、致密、气孔率低、结合强度高的高质量nial涂层。加热效率高和成本低。

本发明适用于各种工模具及结构零部件的表面强化及再制造，提高工模具及零部件的寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明中所用到的高频感应辅助自蔓延装置的示意图；

图2为实施例1中所得的高频感应辅助自蔓延nial涂层表面xrd图；

图3为实施例1中所得的高频感应辅助自蔓延nial涂层表面扫描电镜图；

图4为实施例1中所得的高频感应辅助自蔓延nial涂层断面扫描电镜图；

图5(a)为实施例1中所得的高频感应辅助自蔓延nial涂层断面过渡层ni层-表面层nial层界面扫描电镜图；

图5(b)为实施例1中所得的高频感应辅助自蔓延nial涂层断面过渡层ni层-表面层nial层界面线扫描图谱。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

从图1可以清楚的看到：反应箱用来容纳石墨模具、刚玉圆柱、感应线圈、基体钢及各种粉末；在高频感应加热前氩气从反应箱下部给整个反应装置提供氩气环境防止在加热、反应及冷却过程中石墨模具、基体钢及各种粉末氧化；石墨模具的石墨套筒用来容纳石墨纸、基体钢及反应粉末，高频感应时石墨套筒升温给反应粉末和基体提供热量，加压时给反应装置提供封闭环境；石墨模具的上下刚玉圆柱用来给反应时反应粉末提供压力并防止反应体系的热量向外散失；安置在石墨套筒周围的感应线圈给石墨套筒、基体钢和反应粉末加热；安置在石墨套筒下部的热电偶用来测量加热及反应过程中的温度。

本发明所用的化工原料均为工业级产品。

实施例1

一种高频感应辅助自蔓延nial系金属间化合物涂层的制备方法，它包括如下步骤：

(1)将ni粉和al粉按ni/al原子比为1:1的比例混合并倒入烧杯中搅拌均匀，然后倒入丙酮，将烧杯放在超声波清洗机中继续搅拌，水温恒温50℃，待丙酮挥发至搅拌困难为止，此后将烧杯放入真空干燥箱中在85℃温度下，真空干燥12个小时；随后一定量的ni粉平铺在钢模具底部，然后再将球磨后的混料放入模具中，压制成密实度76％的粉块，然后将压好的粉块放置在真空干燥箱中备用。

(2)将5crnimo钢板表面用砂纸打磨除去锈迹及其它附着物，并用无水乙醇清洗干净，放入密封盒中备用。

(3)将步骤1制备的粉块放置在5crnimo钢板上面，随后一块放入石墨模具中；但在放入之前要事先在石墨模具内表面铺上一层石墨纸，另外在基体的下面还要额外ni-50at.％al混合粉末来补充体系的热量损失；将试样安放好后连同模具放入感应线圈中盖上箱盖通过液压机向试样施加3.5mpa左右的预压力，同时打开气阀通氩气5分钟使箱体内部充满氩气减少箱体中氧气的含量；之后选用200a电流给试样预热40s，此时测温仪显示温度大约300～400℃，之后关闭电源让试样温度均匀，待5s后打开电源采用250a的电流继续加热直至观察到反应产生的热爆后立即给试样施加35mpa的压力并保压50s，随后关闭感应加热电源并将试样在氩气环境中自然冷却。

覆层物相分析方法：用x’pertprompdx射线衍射仪(cu-kαx射线源、步长0.02°、扫描范围为2θ＝10°～90°、扫描速度为1.2°/min)分析复合涂层表面的物相。如图2所示为实施例1中所得的高频感应辅助自蔓延nial涂层表面xrd图，从图中我们可以看到涂层表面的物相为只有nial。

覆层形貌观测方法：用带能谱仪的nova400nanosem型场发射扫描电镜观察涂层表面扫描电镜图(如图3所示)、断面扫描电镜图(如图4所示)、涂层断面过渡层ni层-表面层nial层界面形貌及线扫描图谱(如图5(a)和图5(b)所示))。从图3可以看出涂层表面光滑平整，质量良好。从图4可以看出涂层断面分为基体层、过渡层ni层和nial层。三层结构有利于实现涂层物性参数和性能的逐渐过渡，降低涂层在工作条件下的剥落。从图5可以看出过渡层ni层和表面层nial层界面曲折且ni、al元素在界面逐渐变化，这说明过渡层和表面层具有强烈的冶金结合特征。

经上述工艺处理后的高频感应自蔓延nial涂层，具有如下效果：

(1)复合涂层光滑、致密、气孔率低、结合强度高。

(2)加热效率高和成本低。

实施例2

一种高频感应辅助自蔓延nial系金属间化合物涂层的制备方法，它包括如下步骤：

(1)将ni粉和al粉按ni/al原子比为1:1的比例混合并倒入烧杯中搅拌均匀，然后倒入丙酮，将烧杯放在超声波清洗机中继续搅拌，水温恒温45℃，待丙酮挥发至搅拌困难为止，此后将烧杯放入真空干燥箱中在95℃温度下，真空干燥11个小时；随后一定量的co粉平铺在钢模具底部，然后再将球磨后的混料放入模具中，压制成密实度80％的粉块，然后将压好的粉块放置在真空干燥箱中备用。

(2)将h13钢板表面用砂纸打磨除去锈迹及其它附着物，并用无水乙醇清洗干净，放入密封盒中备用。

(3)将步骤1制备的粉块放置在h13钢板上面，随后一块放入石墨模具中；但在放入之前要事先在石墨模具内表面铺上一层石墨纸，另外在基体的下面还要额外ni-50at.％al混合粉末来补充体系的热量损失；将试样安放好后连同模具放入感应线圈中盖上箱盖通过液压机向试样施加3mpa左右的预压力，同时打开气阀通氩气4分钟使箱体内部充满氩气减少箱体中氧气的含量；之后选用200a电流给试样预热40s，此时测温仪显示温度大约300～400℃，之后关闭电源让试样温度均匀，待5s后打开电源采用250a的电流继续加热直至观察到反应产生的热爆后立即给试样施加30mpa的压力并保压60s，随后关闭感应加热电源并将试样在氩气环境中自然冷却。

经上述工艺处理后的高频感应自蔓延nial涂层，具有如下效果：

(1)复合涂层光滑、致密、气孔率低、结合强度高。

(2)加热效率高和成本低。

实施例3

一种高频感应辅助自蔓延nial涂层的制备方法，它包括如下步骤：

(1)将ni粉和al粉按ni/al原子比为1:1的比例混合并倒入烧杯中搅拌均匀，然后倒入丙酮，将烧杯放在超声波清洗机中继续搅拌，水温恒温55℃，待丙酮挥发至搅拌困难为止，此后将烧杯放入真空干燥箱中在70℃温度下，真空干燥15个小时；随后一定量的fe粉平铺在钢模具底部，然后再将球磨后的混料放入模具中，压制成密实度70％的粉块，然后将压好的粉块放置在真空干燥箱中备用。

(2)将45号钢板表面用砂纸打磨除去锈迹及其它附着物，并用无水乙醇清洗干净，放入密封盒中备用。

(3)将步骤1制备的粉块放置在45号钢板上面，随后一块放入石墨模具中；但在放入之前要事先在石墨模具内表面铺上一层石墨纸，另外在基体的下面还要额外ni-50at.％al混合粉末来补充体系的热量损失；将试样安放好后连同模具放入感应线圈中盖上箱盖通过液压机向试样施加4mpa左右的预压力，同时打开气阀通氩气5分钟使箱体内部充满氩气减少箱体中氧气的含量；之后选用200a电流给试样预热40s，此时测温仪显示温度大约300～400℃，之后关闭电源让试样温度均匀，待5s后打开电源采用250a的电流继续加热直至观察到反应产生的热爆后立即给试样施加40mpa的压力并保压55s，随后关闭感应加热电源并将试样在氩气环境中自然冷却。

经上述工艺处理后的高频感应自蔓延nial涂层，具有如下效果：

(1)复合涂层光滑、致密、气孔率低、结合强度高。

(2)加热效率高和成本低。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。